3D打印技术参考注意到来自西安交通大学、北京动力机械研究所的研究团队近日在3D打印晶格结构领域取得新进展他们提出了一种非均匀的共形晶格拓扑优化方法能够生成具有空间密度和大小变化的参数晶格结构克服了与均匀假设相关的制造限制。增材制造的快速发展扩大了设计自由度使复杂结构的集成制造成为可能从而加速了轻量化结构的研究和应用。近年来研究人员积极探索新型设计策略进一步提升晶格结构的结构性能。例如机器学习算法与晶格构型设计的结合为开发适合增材制造的多尺度晶格结构开辟了新的研究方向。在此背景下拓扑优化起着基础作用因为它能够识别最优材料分布。非均匀共形晶格结构的拓扑优化设计策略考虑了3D打印的可制造特征尺寸文章指出晶格结构的拓扑优化方法目前已经非常成熟但这些方法主要适用于常规设计领域。在航空航天等特殊应用场景需要面对空气动力学形状、承载和减重等特殊要求设计空间可能很狭窄也可能遇到的是薄壁结构在设计时就存在很大的限制性。而以往的晶格结构填充往往是规划规格统一的晶格然后使用布尔运算进行修剪再将晶格与结构复合这种方法会在边界处会产生大量的不完全单元导致晶格结构性能降低。非均匀共形晶格的生成原理与实现机制为解决这个问题目前已经有大量关于生成共形晶格结构的方法但大多数仍依赖于均匀单元的假设在面对工程应用时的实用性不强。来自西交大等的研究团队改变了这种“一刀切”的做法让晶格结构能够“顺势生长”在需要强度的地方分布密实在次要区域保持稀疏同时还能完美贴合零件的外形。这就是其所提出的一种面向空间受限的复杂几何形状非均匀共形晶格结构拓扑优化方法它克服了均匀单元分布的局限性。研究人员分四步来实现这一设计过程分别是参数化建模、性能等效快速评估、拓扑优化、几何重构生成最终模型。首先是使用参数化建模来构建三周期极小曲面(TPMS) 晶格通过调整参数可灵活控制晶格的密度分布和单元大小。第二步是力学仿真。对晶格结构做力学仿真会非常耗时该研究采用了一种叫均匀化映射的方法直接用等效材料的属性来代替复杂的晶格大大提升了效率。非均匀共形晶格结构拓扑优化流程图第三步是拓扑优化它是整个设计的核心它通过设定目标、迭代计算、重新分配和保证可制造性来实现。在迭代过程中算法会监控晶格单元支柱直径一旦支柱直径低于打印机的制造极限多个小单元就会合并确保生成的结构能打印出来。优化完成后会得到一个理想的材料分布框架然后利用第一步的数学函数重新生成一个内部晶格密度和大小都连续变化的完整结构确保不同区域之间过渡连续且平滑避免产生应力集中的弱点。设计与模拟雷达罩的密度梯度共形晶格和非均匀共形晶格在案例展示环节研究人员以半球形天线罩、返回舱防护结构、涡扇发动机叶片、飞机方向舵为案例考察了上述方法在复杂工程结构中的适用性。这些示例在形状和尺寸上差异较大文章指出他们所提出的非均匀共形晶格设计可以从简单的标准构件扩展到具有复杂几何边界的实际工程部件。这证实了该方法在轻量化且性能定制化的增材复杂结构设计中的多功能性、灵活性和实用价值。这项研究以“Topology optimization of non-uniform conformal lattice structures with feature size in additive manufacturing”为题于近日发表在Additive Manufacturing。注本文由3D打印技术参考创作未经联系授权谢绝转载。#增材制造 #3D打印欢迎转发延伸阅读1.航空航天晶格结构增材制造基本分类与特性2.3D打印晶格能挡住900m/s弹丸冲击要靠材料和结构结合钛合金可能不行3.3D打印的弹性晶格结构或能模拟人形机器人的仿生肌肉4.从鳍片到TPMS晶格当3D打印成为标配散热还有一个重要门槛