Ett nytt verktyg med öppen källkod förändrar hur ingenjörer utformar objekt av flera material. Charles Wade, doktorand vid institutionen för datavetenskap vid University of Colorado Boulder, har skapat ett programvarupaket för designsystem som använder funktioner och kod för att kartlägga inte bara former utan också var olika material hör hemma i ett 3D-objekt.
Projektet, som kallas OpenVCAD, utvecklades i Matter Assembly Computation Lab under ledning av biträdande professor Robert MacCurdy vid Paul M. Rady-institutionen för maskinteknik.
En ny artikel, publicerad i tidskriften Additive Manufacturing, belyser designverktyget och dess potential att förändra 3D-utskrifter genom att göra det möjligt för ingenjörer att designa objekt av flera material på ett mer effektivt sätt.
”Det finns utan tvekan en historia av studier och praktik inom multimaterialdesign som existerade långt före OpenVCAD”, säger MacCurdy, som också är knuten till datavetenskap och institutionen för elektro-, dator- och energiteknik. ”Men vi tror att den extra arbetsbördan som det innebär att skriva specifik kod för specifika projekt varje gång hindrar ingenjörer från att göra så mycket design som de skulle kunna.
Med OpenVCAD gör vi allt det arbetet på en gång – och gör det riktigt bra – så att människor har en inbyggd infrastruktur för att representera dessa rumsligt varierande multimaterialkonstruktioner.”
En Utah-tekanna med tre komponenter och gradient. Forskare vid University of Colorado Boulder har utvecklat ett nytt verktyg med öppen källkod som gör det möjligt för ingenjörer att designa multimaterialobjekt som detta mer effektivt med 3D-utskrift. Källa: University of Colorado Boulder
Utmana gränserna för multimaterialdesign
Att designa objekt med flera material har länge utmanat gränserna för konventionell CAD-programvara (computer-aided design).
Enligt Wade och MacCurdy tenderar traditionella designverktyg att endast representera objekt som gränsyta. Det innebär att de arbetar med en implicit antagande att allt inom en gränsyta består av samma material.
Ett av de viktigaste områdena inom mekanik är något som kallas gradientdesign, där två material gradvis blandas ihop – som en skosula som övergår från att vara hård i botten till mjuk i toppen. Men utan ett kraftfullt designverktyg kan det vara oerhört svårt att omvandla grova steg till smidiga övergångar.
Det är därför Wade utvecklade OpenVCAD. Programvarupaketet fungerar nästan som en uppsättning praktiska verktyg som gör det möjligt för användare att inte bara enkelt komponera komplexa funktioner, utan också tilldela dem som material till objekt i en 3D-skrivare.
”Detta är det första multimaterialbaserade, kodbaserade designverktyget som är allmänt tillgängligt”, säger Wade. ”Det möjliggör god komplexitet vid utskrift av objekt, det är tillgängligt och intuitivt att skriva och designa. Till skillnad från traditionell CAD-programvara, där man tvingas skissa allt för varje ändring och inte kan representera graderade material, låter vårt verktyg användarna ändra en liten variabel och se hela designen uppdateras på ett enkelt sätt.”
En bred inverkan för alla att utforska
Teamets nya artikel utforskar OpenVCAD:s kapacitet i en rad olika 3D-skrivare, inklusive en som är tillgänglig för MacCurdys laboratoriegrupp och som möjliggör utskrift av objekt med upp till fem material samtidigt.
Det är dock projektets potentiella inverkan på hela ingenjörssamhället som entusiasmerar dem.
Enligt MacCurdy och hans team kan OpenVCAD-programvaran användas för att hjälpa forskare att designa objekt som är relevanta för nästan alla branscher och områden.
En medicinsk modell som skannats och skrivits ut. Forskare vid University of Colorado Boulder har utvecklat ett nytt verktyg med öppen källkod som gör det möjligt för ingenjörer att designa 3D-utskrivna objekt av flera material som detta på ett mer effektivt sätt. Källa: University of Colorado Boulder
Kirurger som behöver realistiska planeringsmodeller att öva på kan dra nytta av verktygets gradientblandningsegenskaper. Experter på mjuk robotik kan använda det för att skapa flexibla ställdon som böjs i en riktning men förblir raka och styva i en annan. Ingenjörer som behöver simulera komplexa objekt av flera material kan designa i OpenVCAD och enkelt exportera en simuleringsklar fil.
OpenVCAD kan till och med tillämpa specifika mekaniska egenskaper på specifika delar av gitterstrukturer, som ofta används för stötdämpande egenskaper för att uppnå mer komplicerade konstruktioner.
”Vi kan lita på OpenVCAD:s kärnfunktioner för att representera objekt av flera material inom en rad olika områden”, säger MacCurdy. ”Men det finns mycket mer på gång inom vissa områden som vi är mycket glada över, och vi hoppas verkligen att denna approach till multimaterialdesign kommer att ta fart.”
OpenVCAD är ett helt öppen källkodsverktyg, vilket innebär att det är allmänt tillgängligt för ingenjörer över hela världen. Det är till och med utrustat med en Python-implementering så att alla användare enkelt kan importera teamets repository och komma igång med bara en enda rad kod.
”Vi vill att detta ska vara allmänt tillgängligt för alla”, säger Wade. ”Vi har en växande bas av externa forskare från andra institutioner som använder detta verktyg och vi hoppas kunna göra det möjligt för den gruppen att göra sitt bästa arbete.”
Mer information: Implicit Toolpath Generation for Functionally Graded Additive Manufacturing via Gradient-Informed Slicing, Additive Manufacturing (2025). DOI: 10.1016/j.addma.2025.104963
