一种新的开源工具正在重塑工程师设计多材料物体的方式。

科罗拉多大学博尔德分校计算机科学系博士生查尔斯·韦德（Charles Wade）创建了一个设计系统软件包，该软件包使用函数和代码不仅可以映射形状，还可以映射不同材料在3D对象中的位置。

该项目名为OpenVCAD，由机械工程系Paul M.Rady助理教授Robert MacCurdy领导的物质组装计算实验室开发。

该设计工具有可能使工程师能够更高效地设计多材料物体，从而改变3D打印。

“多材料设计的研究和实践在OpenVCAD之前就已经存在了，”MacCurdy表示，他同时也是计算机科学系和电气、计算机与能源工程系的成员。“但我们认为，每次为特定项目编写特定代码的开销会阻碍工程师进行尽可能多的设计。”

“通过OpenVCAD，我们可以一次性完成所有这些工作，而且做得非常好，这样人们就可以拥有内置的基础设施来表示这些空间变化的多材料设计。”

突破多材料设计的极限

使用多种材料设计物体长期以来一直突破传统计算机辅助设计（CAD）软件的极限。

Wade和MacCurdy认为，传统的设计工具倾向于将物体仅表示为边界面。这意味着它们基于一个隐含的假设：边界面内的所有物体都由相同的材料构成。

力学领域中一个备受关注的领域是所谓的渐变设计，即将两种材料逐渐混合在一起，就像鞋底由硬变软，底部逐渐变硬。然而，如果没有强大的设计工具，将粗糙的步骤转化为平滑的过渡可能会极其困难。

这就是Wade开发OpenVCAD的原因。这套软件包几乎就像一套便捷的工具，不仅能让人们轻松编写复杂的函数，还能将它们作为材料分配给3D打印机中的对象。

“这是第一款广泛使用的多材料、基于代码的设计工具，”Wade表示。“它能够很好地适应打印对象的复杂性，易于上手，并且编写和设计过程直观易懂。与传统的CAD软件不同，传统的CAD软件每次更改都必须绘制草图，而且无法表示不同等级的材料，而我们的工具允许用户只需更改一个小变量，就能轻松地查看整个设计的更新。”

值得所有人探索的广泛影响

该团队探索了OpenVCAD在各种3D打印机上的功能，其中包括MacCurdy实验室小组可用的一种打印机，该打印机允许一次使用最多五种材料进行物体打印。

然而，令他们兴奋的是该项目对整个工程界的潜在影响。

据MacCurdy及其团队介绍，OpenVCAD软件可用于帮助研究人员设计几乎任何行业和领域相关的物体。需要逼真地规划模型进行练习的外科医生可以利用该工具的梯度混合特性。软机器人专家可以使用它来创建柔性执行器，使其在一个方向上弯曲，而在另一个方向上保持笔直和刚性。需要模拟复杂多材料物体的工程师可以在OpenVCAD中进行设计，并轻松导出可用于模拟的文件。

OpenVCAD甚至可以将特定的机械特性应用于晶格结构的特定部分，这些部分通常用于吸收冲击能力，以实现更复杂的设计。

MacCurdy表示，“我们能够依靠OpenVCAD的核心功能来表示一系列不同领域的多材质对象。但在某些领域，我们期待更多功能的出现，希望这种多材质设计方法能够取得成功。”

OpenVCAD是一款完全开源的工具，这意味着世界各地的工程师都可以广泛使用它。它甚至配备了Python实现，因此任何用户都可以轻松导入团队的存储库，只需一行代码即可开始工作。

Wade表示，“希望这个工具能够广泛普及。来自其他机构的外部研究人员正在使用这个工具，并且数量正在不断增加，希望能够帮助这些研究人员发挥出最佳水平。”