3D打印的填充優(yōu)化是世界各地的設(shè)計(jì)師、數(shù)學(xué)家和研究人員不斷修改的東西,原因是最終找到節(jié)約生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)時(shí)間。事實(shí)上,當(dāng)涉及到生產(chǎn)3D打印部件時(shí),大多數(shù)3D打印過(guò)程允許對(duì)內(nèi)部密度進(jìn)行某種優(yōu)化。
使用立體光刻技術(shù),生產(chǎn)鏤空3D打印部件可確保高精度,并且使用最少的材料和最高效的速度。Polyjet 3D打印技術(shù)使您能夠使用更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的支撐材料填充您的部件,F(xiàn)DM 3D打印使用戶可以選擇以不同程度的填充來(lái)制造您的3D模型文件,從而加快處理速度,同時(shí)使用較少的材料來(lái)啟動(dòng)。
這些成本和時(shí)間節(jié)省措施存在很大的缺點(diǎn),那就是在制造部件中減小強(qiáng)度。比如說(shuō),包含5%內(nèi)部材料和95%空氣的部件將比實(shí)心部件的外力承受更弱。
來(lái)自歐洲領(lǐng)先的技術(shù)大學(xué)的一組研究人員通過(guò)從自然世界獲取靈感,優(yōu)化3D打印的內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)。該研究論文由Jun Wu博士(現(xiàn)荷蘭TU Delft的助理教授)、Niels Aage博士(丹麥TU副教授)、RüdigerWestermann博士(德國(guó)慕尼黑TU教授)和Ole Sigmund博士(丹麥TU教授)撰寫,并詳細(xì)介紹了骨結(jié)構(gòu)中的多孔結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化耐用填充結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。
該論文提出了一種通過(guò)模仿緊湊的皮質(zhì)骨,從而通過(guò)形成的外殼和海綿狀骨小梁占據(jù)其內(nèi)部的方式來(lái)生產(chǎn)最佳的輕質(zhì)部分,如下方的3D打印配對(duì)部件和人類股骨的橫截面。
他們的算法以類似于骨對(duì)外部體力如何反應(yīng)的方式優(yōu)化材料的分布。因此,這些結(jié)構(gòu)模仿了自然界中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化的圖案在內(nèi)部的形狀不同,這與在3D打印切片軟件中使用的許多重復(fù)圖案形成對(duì)比。
從技術(shù)角度來(lái)看,研究者的算法是基于拓?fù)鋬?yōu)化,一種用于設(shè)計(jì)輕量結(jié)構(gòu)的工程方法。拓?fù)鋬?yōu)化已廣泛用于航空和汽車工業(yè),其中零件和設(shè)備的重量發(fā)揮重要作用。它在需要的地方放置材料,以便在規(guī)定的外力下使結(jié)構(gòu)的剛度最大化。
然而,如研究人員的研究結(jié)果所示,拓?fù)鋬?yōu)化建議的結(jié)構(gòu)對(duì)材料損傷和外力的變化很敏感。畢竟,效率和強(qiáng)度是一對(duì)矛盾的因素。
通過(guò)在形狀內(nèi)部擴(kuò)散強(qiáng)化微結(jié)構(gòu),新的所謂骨填充實(shí)現(xiàn)效率和強(qiáng)性之間的良好平衡。來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)骨樣優(yōu)化算法的優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)于當(dāng)前切片軟件中的重復(fù)模式,這在設(shè)計(jì)用于2D股骨形物體的填充物的測(cè)試中得到了證明。在左邊,我們有標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)。中間是骨填充,而重復(fù)模式顯示在右邊。柔度值(c),即剛度的倒數(shù),應(yīng)盡可能小。
雖然他們的工作目前仍在研究階段,但他們已經(jīng)通過(guò)使用SLS和FDM打印機(jī)制造結(jié)構(gòu)部件來(lái)測(cè)試他們的方法。
對(duì)此,Jun Wu建議,現(xiàn)在算法最可能集成在設(shè)計(jì)鏈(CAD / CAE軟件)中,而不是切片軟件。對(duì)于世界各地的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō),這應(yīng)該是一個(gè)很大的工作量減輕,他們的任務(wù)是盡可能經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)零件。
展望未來(lái),Jun指出,他們的填充優(yōu)化公式的(研究)軟件包很快就會(huì)發(fā)布,并且已經(jīng)可以根據(jù)要求提供測(cè)試版本。
延伸閱讀:英國(guó)布里斯托大學(xué)發(fā)現(xiàn)藻酸鹽有益于生物3D打印結(jié)構(gòu)的發(fā)展
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