Wie die digitale Fertigung Informationen in die Realität verwandelt

Schau dich um. Egal in welche Richtung du dich drehst, alles, was du siehst, hat eine Geschichte daran. Wofür wird es verwendet? Einige Dinge haben jedoch eine tiefere Bedeutung, wenn Sie das Wissen haben, die in ihnen eingebetteten Informationen zu entschlüsseln.

Stellen Sie sich dieses Szenario vor: Sie graben ein Loch in Ihrem Hof für einen Garten. Nach ein paar Schaufeln voller Schmutz und Felsen trifft man auf einen Steinpfeilkopf. Es kann aus dem gleichen Material wie die Steine hergestellt werden, die es umgeben, aber seine besondere Form informiert uns, dass es selten, einzigartig und überraschend ist. Es hat nicht viel mehr Masse oder Energie als die anderen Felsen, aber aufgrund seiner einzigartigen Form enthält es viel mehr verschlüsselte Informationen, vielleicht über die Vergangenheit, seinen Zweck oder die Menschen, die es hergestellt haben. Unvermeidlich wollen wir mehr wissen.

In der Informationsrechnung schuldet uns die Umwelt eine Erklärung dafür, wie dieser Pfeilkopf entstand und warum er im Vergleich zu den anderen Felsen so besonders ist. Schließlich musste es irgendwie dorthin kommen! Mit anderen Worten, in diesem unbelebten Objekt liegt eine längere „Geschichte“ oder „Prozedur“ eingebettet, die erklärt, wie es entstand. Es ist nicht nur ein normaler Fels, es ist voller Informationen.

3D-gedruckte Teile, die mit KI hergestellt werden, können chaotisch erscheinen, sind aber auch komplex.

KI, Entropie und 3D-Druck

Mein Spezialgebiet ist 3D-Druck, aber ich war von der jüngsten Welle des Interesses an künstlicher Intelligenz (KI) fasziniert. In letzter Zeit steht die Forschung über Information und Komplexität im Rampenlicht. Während dies für die Welt der additiven Fertigung tangential erscheinen mag, gibt es überraschende Korrelationen, die Ihr Wissen über 3D-Druckprozesse, schnelles Prototyping und digitale Fertigung vertiefen können.

Die Informationstheorie legt nahe, dass Informationen einem entropischen Verhalten folgen – einer Tendenz zu Chaos und Unordnung – genauso wie viele Theoretiker es benutzten, Wärme oder andere Formen von Energie zu betrachten. Es ist leicht, das Studium von Informationen als „Computerzug“ abzuschreiben, aber in Wahrheit wird es nicht aus der physischen Realität entfernt, und 3D-gedruckte Teile sind real. Neben der Berechnung werden interessante Anwendungen in Bereichen wieAstronomie und Biologie. 

Sind die in 3D-gedruckten Objekten eingebetteten Informationen also chaotisch oder geordnet? Einige Teile scheinen chaotisch (wie das Boltzmann-Gehirn unten erklärt), aber sie haben oft unglaublich reiche, detaillierte Geschichten über ihre Produktion sowie ihren natürlichen Zustand. Ich würde argumentieren, dass die interessantesten und nützlichsten 3D-gedruckten Objekte als komplex angesehen werden, und man glaubt, dass Komplexität irgendwo zwischen Ordnung und Chaos lebt.Am Rande des Chaos. 

Neue Technologien wie generative KI und digitale Fertigung können von der Informationstheorie und dem Studium der Komplexität profitieren. Sie geben einen Hinweis darauf, was in Zukunft möglich sein könnte, wenn wir uns der Vereinheit von KI und Fertigungstechnologien nähern.  

Prototyping von informationsreichen Objekten

Was macht den 3D-Druck so faszinierend? Ein Großteil der Attraktivität liegt in den romanischen Teilen, die erstellt werden. Zu sehen, wie sie wachsen, Schicht für Schicht, ist fesselnd. Die Wahrheit ist, dass 3D-Druck nur ein Mittel zum Ziel ist. Was wir eigentlich tun, ist Objekte mitniedrige Shannon-EntropieWas heißt das?  

Objekte wie der Pfeilkopf, den wir früher diskutiert haben, die überraschend und informationsreich sind, gelten als niedrige Shannon-Entropie. Gewöhnliche und nicht überraschende Objekte haben eine hohe Shannon-Entropie und relativ wenige Informationen können extrahiert werden. Fast per Definition sind Objekte mit niedriger Shannon-Entropie interessant und faszinierend, und Objekte mit hoher Shannon-Entropie neigen dazu, langweilig zu sein, weil es nichts für Sie gibt, umHänge deinen Hut anDas ermöglicht es Ihnen, es auf einer tieferen Ebene zu verstehen.  

Hier verbinden wir uns zurück zur additiven Fertigung: 3D-gedruckte Prototypen sind wie der Pfeilkopf und sind Objekte mit sehr geringer Shannon-Entropie. Sie können Raumtemperatur auf die Berührung, aber sie sind weiß-heiß mit Informationen. Genau wie die physische Form eines Schlüssels es ermöglicht, ein bestimmtes Schloss zu öffnen, so ermöglicht es uns die besondere Form und das Material eines Prototyp-Objekts, " entsperren" Informationen aus der physischen Welt.  

Welche Fragen soll der Prototyp beantworten? Fühlt und sieht es richtig aus? Funktioniert es wie beabsichtigt als Teil einer Montage? Wird es verkaufen? Was ist sein Material und dessen Endzweck? Wie erreichen diese Geometrien das Ziel des Designers/Ingenieurs?  

Es besteht eine Beziehung zwischen den beantworteten Fragen und den notwendigen Anforderungen. Je mehr Fragen Sie erwarten, dass der Prototyp beantwortet, desto mehr müssen Sie ihn zunächst in Ihren Anforderungen beschreiben. Möglicherweise benötigen Sie mehrere Varianten oder mehrere Kopien, um die Treue der Antwort zu erhöhen. Dadurch können Sie zuverlässiger Schlussfolgerungen über das Objekt treffen. Schließlich bietet die Erhöhung der Anzahl der Muster Ihnen eine größere Präzision der Beschreibung, da Muster in den Bauteilen offensichtlicher werden, wenn Sie mehr Inhalte zur Auswertung haben.  

Bei der Herstellung wird die Beschreibung des Gegenstands als " Anforderungen " . Wenn zur Beschreibung des Gegenstands unabhängig vom Herstellungsverfahren weitere Informationen benötigt werden, macht dies das Gegenstand spezieller und erfordert eine längere Zeit " . Geschichte" präzise herzustellen. Niedrige Shannon-Entropie liefert einen hohen Informationsgehalt.  

Bit zu ihm

Ein großer Vorteil der digitalen Fertigung ist diedigitaler ZwillingDies ist eine digitale Darstellung des vorgefertigten Teils. Der digitale Zwilling erfasst vollständig die Anforderungen des Objekts und den Herstellungsprozess, der erforderlich ist, um es zu schaffen. Aber an einem bestimmten Punkt muss der Gummi auf die Straße gehen und alle diese 1s und 0s müssen in ein physisches Objekt umgewandelt werden. Wie kann das passieren?

Zu diesem Zeitpunkt haben Sie vielleicht erkannt, dass ich " Geschichte" und " Verfahren" austauschbar. Was ich meine, ist, dass ich eine allgemeine Idee habe, einen Input zu nehmen, eine Reihe von Schritten und Anweisungen bereitzustellen und eine transformierte Ausgabe zu erhalten. Dies kann je nach Disziplin viele Namen annehmen. Mathematiker können es eine Funktion nennen. Ein Bäcker kann es ein Rezept nennen, aber die zugrunde liegende Idee ist die gleiche. Diese Verfahren bestehen in der Regel aus kleineren Bits der Anweisung, die am häufigsten alsAufgaben.

Ein übliches Sprichwort in der 3D-Druckindustrie lautet:Komplexität ist freiObwohl dies nicht ganz stimmt, da jemand für Druckzeit und Materialien bezahlen muss, ist es wahr, dass die Komplexität viel billiger ist als in der herkömmlichen Fertigung. Aber warum ist das so?  

Nehmen wir ein Beispiel der Herstellung eines einfachen Würfels. Um sie herzustellen, muss es ein Verfahren geben, das beschreibt, wie sie entsteht. Wenn ich ein Verfahren für die Herstellung eines Würfels mit subtraktiven Mitteln wie CNC-Bearbeitung schreiben wollte, benötige ich wirklich sechs vereinfachte Aufgaben; eine, um jede flache Ebene aus einem Materialblock zu schneiden. Die Anweisungen könnten buchstäblich auf einer Post-it-Notiz von Hand geschrieben werden.

Allerdings a " Verfahren" Um einen Würfel 3D zu drucken, ist ein schrittweise iterativer Prozess erforderlich, um diese Form zu erhalten, und dies muss vor dem tatsächlichen Druck digital erfolgen. Wir müssen die STL-Datei nehmen und sie so kodieren, dass das Teil in dünne Schichten geschnitten wird, die Maschinenanweisungen für den 3D-Drucker umfassen. Das resultierendeScheibeDateien können riesig sein, vielleicht bis zu ein paar Gigabyte Anweisungen für komplexe Teile. Es kann Hunderte oder Tausende von spezifischen Anweisungen für den Druckkopf oder Laser erfordern, um so etwas so einfach wie einen Würfel zu machen. Auch für ein sehr einfaches Teil muss der 3D-Druck eine sehr lange Geschichte darüber erzählen, wie man es erstellt. Für einen 3D-Drucker, der mit einem Extrusionskopf oder Laser zeichnet, ist das Teil in einem sehr realen SinneGeschrieben in die Existenz. 

Im Vergleich zu anderen Fertigungsprozessen ist es genauer zu sagen, dass Komplexitätvorgeladenim 3D-Druck. Die Komplexisierung der Würfelgeometrie, z. B. durch Hinzufügen mehrerer Löcher, führt nicht zu einer signifikanten Erhöhung der " Verfahren" Der 3D-Drucker muss nun die Umrisse der Löcher zeichnen, aber wiederum nicht "kratzeln" müssen, um sie zu füllen. Das Hinzufügen von Funktionen wie Löchern kann die Druckzeit verkürzen, es sei denn, die Anzahl der Löcher ist so hoch, dass das Zeichnen der Grenzen mehr Zeit benötigt, als es gewesen wäre, sie einfach mit Material zu füllen. Bei einigen voxelbasierten 3D-Drucktechnologien wie Multi Jet Fusion spielt es in Bezug auf die Druckzeit keine Rolle, ob das Teil ein Loch hat oder nicht. Bei einem voxelbasierten Drucker ist ein Loch im Wesentlichen einumgedrehtEin Stück Information, keine Addition oder Subtraktion von Informationen.

Das Front-Loading ist auch das, was dem 3D-Druck seine magische Qualität verleiht. Mit nur zufälliger Beobachtung scheinen die Teile aus dem Nirgendwo zu erscheinen - ohne Erklärung. In Wirklichkeit geschieht die Informationsbuchhaltung, bevor der Druck startet, und die Geschichte, wie der Teil entstand, wird in Echtzeit geschrieben, während er gedruckt wird.  

Ein Beispiel für ein Boltzmann-Gehirndesign.