西交大：3D打印拓?fù)鋬?yōu)化晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得新成果

3D打印技術(shù)參考注意到，來自西安交通大學(xué)、北京動(dòng)力機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊(duì)，近日在3D打印晶格結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，他們提出了一種非均勻的共形晶格拓?fù)鋬?yōu)化方法，能夠生成具有空間密度和大小變化的參數(shù)晶格結(jié)構(gòu)，克服了與均勻假設(shè)相關(guān)的制造限制。

增材制造的快速發(fā)展擴(kuò)大了設(shè)計(jì)自由度，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的集成制造成為可能，從而加速了輕量化結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用。

近年來，研究人員積極探索新型設(shè)計(jì)策略，進(jìn)一步提升晶格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)算法與晶格構(gòu)型設(shè)計(jì)的結(jié)合，為開發(fā)適合增材制造的多尺度晶格結(jié)構(gòu)開辟了新的研究方向。在此背景下，拓?fù)鋬?yōu)化起著基礎(chǔ)作用，因?yàn)樗軌蜃R(shí)別最優(yōu)材料分布。

非均勻共形晶格結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)策略，考慮了3D打印的可制造特征尺寸

文章指出，晶格結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法目前已經(jīng)非常成熟，但這些方法主要適用于常規(guī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在航空航天等特殊應(yīng)用場景，需要面對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)形狀、承載和減重等特殊要求，設(shè)計(jì)空間可能很狹窄，也可能遇到的是薄壁結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)就存在很大的限制性。

而以往的晶格結(jié)構(gòu)填充，往往是規(guī)劃規(guī)格統(tǒng)一的晶格，然后使用布爾運(yùn)算進(jìn)行修剪，再將晶格與結(jié)構(gòu)復(fù)合，這種方法會(huì)在邊界處會(huì)產(chǎn)生大量的不完全單元，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)性能降低。

非均勻共形晶格的生成原理與實(shí)現(xiàn)機(jī)制

為解決這個(gè)問題，目前已經(jīng)有大量關(guān)于生成共形晶格結(jié)構(gòu)的方法，但大多數(shù)仍依賴于均勻單元的假設(shè)，在面對(duì)工程應(yīng)用時(shí)的實(shí)用性不強(qiáng)。

來自西交大等的研究團(tuán)隊(duì)，改變了這種“一刀切”的做法，讓晶格結(jié)構(gòu)能夠“順勢生長”，在需要強(qiáng)度的地方分布密實(shí)，在次要區(qū)域保持洗漱，同時(shí)還能完美貼合零件的外形。

這就是其所提出的一種面向空間受限的復(fù)雜幾何形狀非均勻共形晶格結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，它克服了均勻單元分布的局限性。

研究人員分四步來實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)過程，分別是參數(shù)化建模、性能等效快速評(píng)估、拓?fù)鋬?yōu)化、幾何重構(gòu)生成最終模型。

首先是使用參數(shù)化建模來構(gòu)建三周期極小曲面(TPMS) 晶格，通過調(diào)整參數(shù)可靈活控制晶格的密度分布和單元大小。

第二步是力學(xué)仿真。對(duì)晶格結(jié)構(gòu)做力學(xué)仿真會(huì)非常耗時(shí)，該研究采用了一種叫均勻化映射的方法，直接用等小材料的屬性來代替復(fù)雜的晶格，大大提升了效率。

非均勻共形晶格結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化流程圖

第三步是拓?fù)鋬?yōu)化，它是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它通過設(shè)定目標(biāo)、迭代計(jì)算、重新分配和保證可制造性來實(shí)現(xiàn)。在迭代過程中，算法會(huì)監(jiān)控晶格單元支柱直徑，一旦支柱直徑低于打印機(jī)的制造極限，多個(gè)小單元就會(huì)合并，確保生成的結(jié)構(gòu)能打印出來。

優(yōu)化完成后會(huì)得到一個(gè)理想的材料分布框架，然后利用第一步的數(shù)學(xué)函數(shù)，重新生成一個(gè)內(nèi)部晶格密度和大小都連續(xù)變化的完整結(jié)構(gòu)，卻不通區(qū)域之間過渡連續(xù)且平滑，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中的弱點(diǎn)。

設(shè)計(jì)與模擬雷達(dá)罩的密度梯度共形晶格和非均勻共形晶格

在案例展示環(huán)節(jié)，研究人員以半球形天線罩、返回艙防護(hù)結(jié)構(gòu)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、飛機(jī)方向舵為案例，考察了上述 方法在復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中的適用性。

這些示例在形狀和尺寸上差異較大，文章指出，他們所提出的非均勻共形晶格設(shè)計(jì)可以從簡單的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件擴(kuò)展到具有復(fù)雜幾何邊界的實(shí)際工程部件。這證實(shí)了該方法在輕量化且性能定制化的增材復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的多功能性、靈活性和實(shí)用價(jià)值。

這項(xiàng)研究以“Topology optimization of non-uniform conformal lattice structures with feature size in additive manufacturing”為題，于近日發(fā)表在Additive Manufacturing。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

歡迎轉(zhuǎn)發(fā)

1.

2.

3.

4.