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 entropischem Verhalten folgen – einer Tendenz zu Chaos und Unordnung – genauso wie viele Theoretiker es gewohnt haben, Wärme oder andere Formen von Energie zu betrachten. Es ist leicht, das Studium von Informationen als "Computerkram" abzuschreiben, aber in Wahrheit ist es nicht aus der physischen Realität entfernt, und 3D-gedruckte Teile sind real. Neben der Berechnung gibt es interessante Anwendungen in Bereichen wie Astronomie und Biologie.  

Ist also die Information, die in 3D-gedruckte Objekte eingebettet ist, chaotisch oder geordnet? Einige Teile scheinen chaotisch zu sein (wie das Boltzmann Brain unten erklärt), aber sie haben oft unglaublich reiche, detaillierte Geschichten über ihre Produktion und ihren natürlichen Zustand. Ich würde argumentieren, dass die interessantesten und nützlichsten 3D-gedruckten Objekte tendenziell als komplex angesehen werden, und Komplexität wird angenommen, irgendwo zwischen Ordnung und Chaos am Rande des Chaos zu leben.  

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 Anziehungskraft liegt in den neuartigen Teilen, die geschaffen werden. Sie Schicht für Schicht wachsen zu sehen, ist faszinierend. In Wahrheit ist 3D-Druck nur ein Mittel zum Zweck. Was wir wirklich tun, ist Objekte mit geringer Shannon Entropie zu schaffen. Was bedeutet das?  

Objekte wie die Pfeilspitze, die wir zuvor besprochen haben, die überraschend und informationsreich sind, gelten als gering Shannon Entropie. Objekte, die häufig und nicht überraschend sind, haben eine hohe Shannon Entropie und relativ wenig 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 gibt, worauf du deinen Hut aufhängen kannst, das es dir ermöglicht, ihn 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 die Existenz des digitalen Zwillings, der eine digitale Darstellung des vorgefertigten Teils ist. Der digitale Zwilling erfasst vollständig die Anforderungen des Objekts und den Herstellungsprozess, der erforderlich ist, um es zu schaffen. Aber irgendwann muss der Gummi auf die Straße gehen und all 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 zugrundeliegende Idee ist die gleiche. Diese Verfahren bestehen in der Regel aus kleineren Bits der Anweisung, am häufigsten als Aufgaben bezeichnet.

Ein gängiges Sprichwort in der 3D-Druckindustrie ist, dass Komplexität frei ist. Obwohl das nicht ganz stimmt, da jemand für Druckzeit und Materialien bezahlen muss, stimmt es, dass Komplexität viel billiger ist als in der konventionellen 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.

Ein" Verfahren" Um einen Würfel 3D drucken zu können, ist ein schrittweiser, iterativer Prozess erforderlich, um diese Form zu erhalten. Dies muss vor dem eigentlichen Druck digital erfolgen. Wir müssen die STL-Datei nehmen und so kodieren, dass das Teil in dünne Schichten geschnitten wird, die Maschinenanweisungen für den 3D-Drucker umfassen. Die resultierenden Slice-Dateien 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 benötigen, um etwas so einfaches wie einen Würfel zu machen. Selbst 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, wird das Teil in einem sehr realen Sinn in die Existenz geschrieben.  

Im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren ist es genauer zu sagen, dass Komplexität im 3D-Druck vordergründig ist. Die Komplexität der Würfelgeometrie, z.B. das Hinzufügen mehrerer Löcher, führt nicht zu einer sinnvollen Erhöhung der" Verfahren" Der 3D-Drucker muss nun die Umrisse der Löcher zeichnen, muss aber nicht "kritzeln", um sie auszufüllen. Das Hinzufügen von Funktionen wie Löchern kann die Druckzeit verkürzen, es sei denn, die Anzahl der Löcher ist so hoch, dass das Zeichnen der Ränder mehr Zeit in Anspruch nimmt, als es gewesen wäre, sie einfach mit Material zu füllen. Bei einigen voxelbasierten 3D-Drucktechnologien wie Multi Jet Fusion spielt es keine Rolle, ob das Bauteil hinsichtlich der Druckzeit ein Loch hat oder nicht. Für einen Voxel-basierten Drucker ist ein Loch im Wesentlichen ein umgedrehtes Bit von Informationen, nicht eine 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.