Плотницкие работы – такая же древняя практика, как и само человечество. В равной степени искусство и инженерия, он образно и буквально сформировал мир вокруг нас. Тем не менее, несмотря на его повсеместное распространение, столярные изделия – сложный и трудоемкий навык, что приводит к относительно высоким ценам на деревянные изделия ручной работы, такие как мебель.
По этой причине большая часть деревянной мебели вокруг нас часто, по крайней мере до некоторой степени, сделана машинами. Некоторые машины могут быть в высокой степени автоматизированы и запрограммированы с помощью проектов, созданных на компьютерах дизайнерами-людьми. Это само по себе может быть очень технической и творческой задачей, недоступной для многих до сих пор.
Исследователи из Департамента креативной информатики Токийского университета создали приложение для трехмерного проектирования, позволяющее быстро, легко и эффективно создавать конструкционные деревянные компоненты. Они называют это цугитэ, японское слово для обозначения столярных изделий, и с помощью простого трехмерного интерфейса пользователи, практически не имеющие опыта работы с деревом или трехмерного дизайна, могут создавать проекты функциональных деревянных конструкций за считанные минуты. Эти конструкции могут затем дать указание фрезерным станкам вырезать структурные компоненты, которые пользователи могут затем собрать вместе без дополнительных инструментов или клея, следуя инструкциям на экране.
«Нашим намерением было сделать столярное искусство доступным для людей без определенного опыта. Когда мы тестировали интерфейс в рамках пользовательского исследования, люди, плохо знакомые с 3D-моделированием, не только спроектировали некоторые сложные конструкции, но и получили от этого удовольствие », – сказала исследователь Мария Ларссон. "Tsugite прост в использовании, поскольку он направляет пользователей через процесс шаг за шагом, начиная с галереи существующих дизайнов, которые затем могут быть изменены для различных целей.
Но более продвинутые пользователи могут сразу перейти в режим ручного редактирования, чтобы получить больше свободы творчества."
Tsugite дает пользователям подробный обзор деревянных соединений, представленных так называемыми вокселями, по сути, трехмерными пикселями, в данном случае маленькими кубиками. Эти воксели можно перемещать на одном конце соединяемого компонента; это автоматически настраивает вокселы в конце соответствующего компонента так, чтобы они гарантированно плотно прилегали друг к другу без необходимости использования гвоздей или даже клея.
Два или более компонента могут быть объединены, и алгоритм программного обеспечения все соответствующим образом отрегулирует. Различные цвета информируют пользователя о свойствах суставов, например о том, насколько легко они будут скользить вместе, или о проблемах, таких как потенциальные слабые места.
Уникальность Цугите заключается в том, что он учитывает процесс изготовления непосредственно в дизайне. Это означает, что фрезерные станки, которые имеют физические ограничения, такие как степени свободы, размер инструмента и т. Д., Получают только те конструкции, которые они могут создать.
Что беспокоит пользователей 3D-принтеров, которые имеют общую родословную с фрезерными станками, так это то, что программное обеспечение для 3D-принтеров не всегда может быть уверенным в том, как сама машина будет себя вести, что может привести к неудачным отпечаткам.
"В области компьютерной графики проводится большое исследование того, как моделировать самые разные геометрии суставов. Но в этом подходе часто не учитываются практические аспекты производства и свойств материала », – сказал Ларссон. "И наоборот, исследования в области структурной инженерии и архитектуры могут быть очень тщательными в этом отношении, но они могут касаться только нескольких видов соединений.
Мы увидели потенциал объединения сильных сторон этих подходов для создания цугитэ. Он может исследовать самые разные суставы, но при этом сохраняет их в реалистичных физических пределах."
Еще одно преимущество включения производственных ограничений в процесс проектирования заключается в том, что базовым алгоритмам Цугите легче ориентироваться во всех различных возможностях, которые они могут предоставить пользователям, поскольку те, которые физически невозможны, просто не указываются в качестве вариантов. Исследователи надеются, что благодаря дальнейшим усовершенствованиям и усовершенствованиям Цугите можно будет расширить, чтобы спроектировать не только мебель и небольшие конструкции, но и целые здания.
"Согласно U.N., на строительство и строительство приходится почти 40% мировых выбросов углекислого газа. Дерево – это, пожалуй, единственный натуральный и возобновляемый строительный материал, который у нас есть, а эффективные столярные изделия могут добавить дополнительные преимущества для устойчивого развития », – сказал Ларссон. «При соединении бруса со столярными изделиями, например, в отличие от металлических креплений, уменьшается количество смешиваемых материалов.
Это хорошо для сортировки и переработки. Кроме того, можно разобрать не клееные соединения без разрушения строительных элементов. Это открывает возможность для разборки и сборки зданий в другом месте. Или для замены дефектных деталей.
Такая гибкость повторного использования и ремонта повышает экологичность древесины."
Это исследование поддержано грантом JST ACT-I номер JPMJPR17UT, грантом JSPS KAKENHI номер 17H00752 и грантом JST CREST номер JPMJCR17A1, Япония.