[发明专利]由具有确定的特性的基础材料设计和制造具有期望特性的材料

说明书

相关申请的交叉引用

本非临时申请要求享受2010年2月24日提交的题目为“具有期望变形行为的材料的设计和制造”35USC§119(e)下的61/307833号美国临时申请的优先权，在此为任何目的地引用而包含其全部内容。 

技术领域

本发明大体上涉及一种物体制造系统，并且特别地，涉及使用多种基础材料的物体制造，以及能够根据计算机或者电子设备的命令放置基础材料的设备。 

背景技术

许多物体具有依赖于构造其的材料的属性。例如，大理石雕像是硬的，而羽毛枕是软的。通常，物体的属性被假定为是固定的，并由其构造决定。例如，预期一个面包的颜色为白色、褐色或棕色。其形状也通常由制作方法决定——面包通常是圆形的或者是条状的，外面硬而里面软，这都是由于盛面包的盘子的需要以及烤炉加热外表面多于加热内部的事实。 

在计算机图形领域早已已知，计算机模型和图像生成器能够使用户摆脱物理约束——易于生成说话的动物、漂浮的面包、不可能的物理现象等的视频。因此，通过提供合适的指令，动画系统能够输出完全由指令创建的视频序列，并因此不受物理构造方法的约束。 

计算机图形学对电影所做的，3D打印机对物体也做了。虽然有一些约束，但是有可能向3D打印机发送一组计算机指令以打印任意 形状的物体，甚至打印使用诸如铸造、雕刻、铣削等手工的物体制造技术无法制造的一些物体。 

3D打印机已经被用于生成样机、模型和古董，但是其被限制于，尽管物体的最终形状能够由计算机(或使用至3D打印机的计算机接口的用户)任意地指定，但是物体将是均匀的，因为它是由特定的打印机所使用的任何的输出材料(树脂、塑料等)制成的。当然，不存在完全的自由，因为如果没有足够的支持，一些指令可能导致物体的部分的坍塌。 

一些物体是弹性地可变形的，并且它们作为物体的引人之处在于它们具有那些属性。例如，不弹性变形的英式足球就英式足球本身而言并不吸引人。其他例子包括衣服和鞋子、家具、植物或甚至人体组织或动物组织。在动画环境和在真实世界物体制造环境中，重要的在于了解获得正确的物体特性、确定所采用的材料的特性和其他特性。在动画中，问题较容易，因为虚拟物体的行为不需要符合物理定律，然而物理物体的行为需要符合物理定律，并且其行为非常受其构造限制——虚拟的弹跳球能够由石头制成，但是由石头制成的物理物体球完全不能弹跳。 

变形效应能够以从分子相互作用到全局支持的响应函数的非常多样的尺度被建模，以及通过连续弹性法或者集总参数模型被建模[Zohdi and Wriggers 2004]。如最近由数值粗化(coarsen)和均匀化的研究表明，能够通过中尺度的均匀材料来近似具有微尺度的非均匀性的材料的行为[Kharevych et al.2009]。 

在一些3D打印机中，有一种可用材料(橡胶、塑料、树脂等)并且输出物体100％由那种可用材料制成。然而，最近的发展包括多材料3D打印机例如OBJECT^TM Connex^TM系列3D打印机。这些打印西能够“打印”物体，该物体包括由第一材料制成的组件和由第二材料制成的组件，其中两种(或更多)材料在一些参数例如密度、弹性、硬度等方面不同。 

计算机图形领域已经贡献了用于设计和制造虚拟服装[Okabe et al.1992]、毛绒物体[Mori and Igarashi 2007]、纸艺物体[Mitani andSuzuki 2004]、或表面微观地理学[Weyrich et at.2009]的系统。 

需要的是由计算机指令创建可变形的物体(或具有其他特性组的物体)以匹配某些所期望的用户指定的特性。当然，如果所期望的特性是由可用材料提供的特性，问题就是简单的，但是通常用户有更复杂的需求。 

在计算机图形背景中，已知使用有限元模型仿真柔软组织，如可变形虚拟材料的数据驱动建模。在[Nealen 2006]中示出计算机图形学中变形模型的最近研究。