MAKE-IT-FAB: Modellierung von Formen für persönliche Fabrikation

Das Ziel dieses Projektes ist es den Prozess der Geometrieverarbeitung und Modellierung digitaler Formen für persönliche Fabrikation zu erforschen und zu erweitern. Persönliche Fabrikation ist ein gegenwärtiger Trend, der sowohl in Wissenschaft als auch in der Industrie verstärkt Aufmerksamkeit erregt. Es ist ein breites und komplexes Thema, welches mehrere Wissenschaftsgebiete umfasst, und eines der wichtigsten offenen Probleme ist die Erforschung intelligenter Algorithmen für die automatische Verarbeitung von Modellen. Wir argumentieren dass, wenn digitale Modelle 3D-gedruckt werden sollen, dieses Ziel explicit im Erstellungsprozess von Beginn an berücksichtigt werden sollte. Dieses Forschungsprojekt fällt in den Bereich der Computergrafik und interaktiven Techniken, wobei wir auf Erkenntnissen aus der interaktiven und prozeduralen Modellierung, der Formanalyse und Formverständnis, als auch der Geometrieverarbeitung, aufbauen möchten. Unser Ziel ist es, neue algorithmische Lösungen für die persönliche Gestaltung und Fertigung von Objekten zu entwickeln. Insbesondere werden wir folgende Aspekte behandeln: (1) Eines der Hauptprobleme der modernen geometrischen Formmodellierung ist die Frage der übergeordneten Formverständnis, in anderen Worten, wie komplexe und zusammengesetzte Formen interpretiert, d.h., wie ihre wie einzelnen Elemente organisiert, hierarchisiert, und gruppiert werden sollen. (2) Ferner wollen wir neue interaktive Modellierungsverfahren für kreative Gestaltung von ästhetischen und ansprechenden Modellen erforschen. Wir werden eine High-Level-Modellierungs-Anwendung entwickeln, die das Prinzip der sog. explorativen Modellierung in der Vordergrund stellt. Sie soll speziell für gelegentliche und nichtprofessionelle Anwender geeignet sein und unerfahrene Menschen während der Modellierung dabei unterstützten ihre Kreativität freizusetzen. (3) Unser drittes Ziel ist schließlich die persönliche Fertigung. Wir werden eine Reihe von Optimierungs-und Simulationstechniken entwickeln, welche die spezifischen Gegebenheiten der Fertigung direkt in den Modellierungsprozess integrieren (fabrication-aware modeling). Diese enge Integration ermöglicht es sofort druckbare 3D-Modelle zu erstellen, ohne Zwischenstufen und Zwischenbearbeitung, im Gegensatz zum aktuellen Arbeitsfluss. Die Forschungsergebnisse dieses Projekts werden sich auf ein breites Publikum in den Wissenschaften und der Industrie auswirken. Wir erwarten unmittelbar zu dem wissenschaftlichen Letzten-Stand der Computergrafik und interaktiven Techniken beizutragen. Insbesondere werden wir zum Formverständnis- Problem, zur automatischen Formsynthese, zur interaktiven Modellierung, und schließlich zur Formoptimierung und physikalischen Modellierung beitragen. Darüber hinaus werden unsere Ergebnisse einen indirekten Einfluss auf die Bildung, den Verbraucherbereich des Designs, und es kann sich zusätzlich auch auf professionelle Bereiche wie Produkt-Design, Rapid Prototyping, oder Architektur auswirken. Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus wird sich unsere Forschung auf den schnell wachsenden Konsumentenmarkt des Additiven Manufacturing auswirken.

Ziel des Projekts war es, das Problem der Erstellung digitaler Modelle für die persönliche Fertigung wie den 3D-Druck zu untersuchen. Das Paradigma der Herstellung individuell angepasster Objekte hat in jüngster Zeit in Wissenschaft und Industrie zunehmend Beachtung gefunden. Dieses breite und komplexe Thema umfasst mehrere wissenschaftliche Bereiche, aber einer der Hauptforschungsthemen sind Algorithmen zur Formoptimierung, welche auch im Mittelpunkt unserer Forschung standen. In den fünf Jahren des Projekts haben wir mehrere starke wissenschaftliche Veröffentlichungen sowie eine Reihe von wissenschaftlichen Abschlussarbeiten publiziert. Insgesamt haben wir 9 Zeitschriftenartikel in internationalen Magazinen veröffentlicht. Zur erwähnen ist, dass 3 der Artikel auf der ACM SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt und in ACM Transactions on Graphics veröffentlicht wurden, der am höchsten bewerteten Zeitschrift in unserem wissenschaftlichen Bereich. Darüber hinaus haben wir 6 akademische Arbeiten abgeschlossen: 1 Doktorarbeit, 3 Masterarbeiten und 2 Bachelorarbeiten. Eine zweite Doktorarbeit steht kurz vor dem Abschluss. Schließlich wurde der Principal Investigator zum Associate Professor am New Jersey Institute of Technology in den USA befördert. Insgesamt haben die Ergebnisse des Projekts in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und darüber hinaus an Sichtbarkeit gewonnen. Unsere Lösungsvorschläge zur Formoptimierung waren die ersten, die die Formoptimierung für den 3D-Druck mit glatten Offset-Oberflächen einführten. Seit 2015 wurden die Veröffentlichungen mehr als 100 Mal laut Google Scholar zitiert, und die vorgeschlagenen Methoden haben die Grundlage für mehrere nachfolgende Arbeiten des Projektteams selbst sowie anderer Forscher gelegt. Wir haben Methoden zur Optimierung von Formen für den 3D-Druck, für das CNC-Fräsen sowie für die Herstellung mit Laserschneidern und Industrierobotern eingeführt. Die vorgeschlagenen Algorithmen zielen auf Recheneffizienz und einfache Handhabung ab, so dass sie sowohl von unerfahrenen Benutzern als auch von professionellen Designern verwendet werden können. Sie umfassen Lösungen für die rechnergestützte Gestaltung einzelner bequemer Sitze, die mit Industrierobotern hergestellt werden können, oder Methoden zur automatischen Berechnung sogenannter künstlerischer "String-Art" -Bilder, die aus kilometerlangen Fäden bestehen. Während des Projekts haben wir mit internationalen Kollegen anderer Universitäten sowie mit internen Kollegen und Studenten zusammengearbeitet. Wir haben auch mit Architektur- und Designstudenten der TU Wien interdisziplinär zusammengearbeitet. Neben dem wissenschaftlichen Bereich stießen die Ergebnisse des Projekts auf großes Medieninteresse. Das Projekt wurde 2015 mit dem ersten Preis des österreichischen Computergrafikpreises (Austrian Computer Graphics Award) in der Kategorie "Beste technische Lösung" ausgezeichnet und eine der Publikationen wurde mit dem "Best Paper Award Honorable Mention" ausgezeichnet. Es hat auch in der nationalen und internationalen Presse, darunter "Die Presse" und "Der Standard", die beiden führenden österreichischen Tageszeitungen, ein Echo gefunden. Darüber hinaus haben viele spezialisierte Online-Magazine und Foren über die Ergebnisse des Projekts berichtet. Insgesamt wurde das Ziel der Erforschung von Berechnungsmethoden für die persönliche Herstellung erreicht und die Ergebnisse des Projekts bieten eine solide Grundlage für die weitere Forschung sowie für praktische weitere Anwendungen.