Additive Fertigung KI hilft leistungsfähigere 3D-Modelle zu erstellen

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Ein von KI generiertes 3D‑Modell zu drucken, kann einige Hürden mit sich bringen – nun haben Forschende am Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gemeinsam mit Forschenden von Google, Stability AI und der Northeastern University das System „MechStyle“ entwickelt. Hierbei sollen mithilfe von KI reale Objekte hergestellt werden.

Die Erstellung von KI‑generierten, für den 3D‑Druck geeigneten Modellen hat viel Aufmerksamkeit erregt. So verspricht etwa Backflip, ein von Markforged‑Entwicklern geschaffenes KI‑Modell‑Generator‑Tool, 3D‑Druck‑taugliche Modelle zu generieren. Jüngst hat MeshyAI die Einführung von Creative Lab angekündigt, einer Plattform zur Erzeugung 3D‑druckbarer Modelle.
Das von Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gemeinsam mit Forschenden von Google, Stability AI und der Northeastern University entwickelte System „MechStyle“ unterscheidet sich in seiner Funktionsweise leicht von anderen KI‑basierten 3D‑Modell‑Generatoren. Anstatt mit einem Text‑Prompt, einem Bild oder einem Video zu beginnen, startet der MechStyle‑Prozess mit einem 3D‑Modell, das entweder vom Nutzer hochgeladen oder vordefiniert ist (Vasen, Haken etc.). Anschließend kann der Nutzer Text oder Bilder bereitstellen, um eine personalisierte Version zu erzeugen. Die Geometrie wird dann von einem generativen KI‑Modell verändert, während MechStyle die Auswirkungen dieser Änderungen auf spezifische Bereiche simuliert. Auf diese Weise stellt MechStyle sicher, dass die besonders vulnerablen Bereiche strukturell stabil bleiben. Im Kern entsteht so ein KI‑optimierter Entwurf, den Nutzer im 3D‑Druck fertigen und in der realen Welt verwenden können.

In einem vom MIT veröffentlichten Artikel über MechStyle gaben sie das Beispiel des 3D‑Drucks eines Wandhakens. Ein Nutzer konnte ein 3D‑Modell dieses Teils hochladen, das Material angeben, mit dem er es drucken wollte, und das System anweisen, eine personalisierte Version zu erstellen – mit Anweisungen wie „einen Haken in Kaktusform generieren“. Das KI‑Modell arbeitet im Tandem mit dem Simulationsmodul und erzeugt ein 3D‑Modell, das wie ein Kaktus aussieht und zugleich die strukturellen Eigenschaften eines Hakens beibehält. Es handelt sich also um zwei Komponenten, die zusammenwirken: den Stilisierungsprozess (der auf dem Verständnis der Texteingabe basiert) und das Feedback des Simulationsmoduls.
„Wir wollen KI nutzen, um Modelle zu erstellen, die Sie tatsächlich fertigen und in der realen Welt verwenden können“, sagte Faraz Faruqi, Doktorand am Fachbereich für Elektrotechnik und Informatik (EECS) des MIT und Ingenieur am CSAIL. „MechStyle simuliert daher die Auswirkungen der durch generative KI vorgenommenen Änderungen auf eine Struktur. Unser System ermöglicht es Ihnen, die haptische Erfahrung Ihres Objekts zu personalisieren, indem Sie Ihren persönlichen Stil einbringen und gleichzeitig sicherstellen, dass das Objekt dem täglichen Gebrauch standhalten kann.“

Festigkeit durch Physik: Finite-Elemente-Analyse

Der Einsatz der Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist ein zentrales Element des MechStyle-Projekts. Die physikalische Simulationsmethode erzeugt eine Art Heatmap und zeigt an, welche Bereiche unter realistischen Lasten strukturell tragfähig sind und welche nicht. Während das KI-Modell die Geometrie weiter verfeinert, identifiziert die Simulation jene Modellbereiche, die sich abschwächen, und verhindert weitere Änderungen.Die FEA-Simulationen bei jedem Schritt verlangsamen den KI-Prozess jedoch erheblich. MechStyle ist daher so konzipiert, dass das System erkennt, wann und wo zusätzliche Strukturanalysen notwendig sind. „Die adaptive Planungsstrategie von MechStyle erlaubt es, Veränderungen an spezifischen Stellen des Modells nachzuverfolgen“, ergänzt Faruqi. „Wenn das GenAI‑System Änderungen vornimmt, die bestimmte Zonen des Modells gefährden, simuliert unser Ansatz die Physik des Designs erneut. MechStyle nimmt anschließend Anpassungen vor, um sicherzustellen, dass das Modell nach der Fertigung nicht bricht.“

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Dank der Finite‑Elemente‑Analyse (FEA) und adaptiver Planung konnte MechStyle Objekte erzeugen, deren strukturelle Tragfähigkeit 100 % erreichte. Das Team testete 30 Modelle mit Stilen, die Ziegeln, Steinen und Kakteen ähnelten, und stellte fest, dass der effektivste Weg zu strukturell tragfähigen Objekten darin besteht, schwache Bereiche dynamisch zu identifizieren und den generativen KI‑Prozess so anzupassen, dass seine Wirkung abgeschwächt wird. Die Forschenden erkannten, dass sich die Stilisierung vollständig stoppen lässt, sobald ein bestimmter Spannungsschwellenwert erreicht ist, oder schrittweise Anpassungen vorgenommen werden können, um zu verhindern, dass Risikobereiche diesen Schwellenwert erreichen.Die CSAIL‑Forschenden erklärten, dass MechStyle die strukturelle Tragfähigkeit des Nutzer‑Modells gewährleisten kann, derzeit jedoch noch nicht in der Lage ist, 3D‑Modelle zu verbessern, die von vornherein nicht tragfähig sind. Lädt jemand ein nicht tragfähiges Modell in MechStyle hoch, erhält er eine Fehlermeldung. Künftig soll MechStyle die Haltbarkeit solcher fehlerhaften Modelle verbessern können.