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通过FDM的拓扑优化改进3D打印和AM处理 

2020-03-03 11:46 发布

3D打印行业研究 /[研究] /翻译
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来自加拿大和中国的研究人员已经创建了一种用于改善3D打印的新技术,该技术在最近发布的“ 用于多补丁熔融沉积建模3D打印的拓扑优化 ”中进行了概述。作者指出,随着数字制造的进一步发展,新的设计规则以及约束条件不断涌现。这些与支撑和后处理,尺寸限制,定向材料特性,蜂窝结构,拓扑设计等有关。

由AM材料的各向异性引起的收缩促使研究人员为该研究创建了一种混合拓扑优化方法。由于定向材料的性能与分层过程有关,因此必须考虑变化。通过拓扑优化,可以处理它们,并通过优化灯丝路径来提高打印性能。

这项研究提出的新技术“从传统的材料/空隙界面设计演变为涉及多个设计自由度的更复杂的问题。” 这些级别包括设计领域,材料领域和子材料领域。本研究的优化旨在处理所有涉及的设计变量。

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黄色箭头表示具有多个光栅方向的单个打印层。

这组作者解释说:“特别是,材料域是由级别集功能定义的,然后通过级别集拓扑优化进行了优化。” “从一开始就没有明确区分次材料领域;而是在具有密度变量的离散材料优化(DMO)方案下内插候选沉积方向。随着密度变量的惩罚,亚材料领域将逐渐出现。”

各向异性的优化涉及两类:

离散栅格角度的拓扑优化–提供最大的设计空间,但不“直接用于3D打印”。
具有连续栅格角的拓扑优化–允许等距和连续的沉积路径,但受到轮廓偏移路径模式的极大限制。
最终,作者努力在可制造性和允许的设计空间之间取得平衡。

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设计自由度。

在研究团队评估他们的新技术时,纳入了一些案例研究,在每个示例中均使用“具有单位大小元素(1到1)的结构化网格”。在研究人员试图控制结构顺应性时,检查了一个悬臂问题。在本案例研究中,最大材料体积的比率为0.5,而设计范围为100 mm x 100 mm。
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评估了两种方案,其中包括固定的90°,45°或0°的非光栅方向,另一种方案的特征是从±45°开始的两个灵活的光栅方向。
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悬臂优化结果的数据。

还考虑了一个短悬臂问题,具有相同的优化方案。
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短悬臂梁问题定义的示意图。

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悬臂优化结果的数据。

最后,研究小组使用与前面示例相同的两种方案,通过施加1 kN的力,对Michell结构进行了研究,还采用了具有三个“可设计栅格方向”的新拓扑优化方案。
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MBB结构优化结果(蓝色表示收敛的ρe1= 1,红色表示收敛的ρe2= 1,黄色表示收敛的ρe3= 1,绿色表示不收敛的区域或空白区域)。
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MBB结构优化结果的网格更细(符合= 86.95J)。(蓝色表示收敛的ρe1= 1,红色表示收敛的ρe2= 1,绿色表示不收敛的区域或空白区域)。

“将来,预计将打印出设计最佳的零件,以便可以通过实验测试验证其结构性能。此外,还将探索向多材料,多补丁增材制造的潜在扩展。”

“在当前研究中,为简单起见,在每个贴片内定义了单向之字形沉积路径。实际上,每个贴片的沉积路径图案可以扩展为锯齿形以外的更复杂的图案,以实现更好的设计性能。因此,我们未来的工作也将探索这一方面。”

随着工业用户和研究人员继续征服3D打印和增材制造中的问题,在其他领域也进行了研究,例如汽车零部件的拓扑优化,精炼驱动系统以及其他增加创新的机会。
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