Обзор методов проектирования сложных топологических структур для 3D-печати
По сути, большинство природных структур являются сложными топологическими структурами со сложными дырами или неравномерной морфологией поверхности. Эти конструкции могут использоваться в качестве легких заполнителей, пористых лесов, поглотителей энергии или микрореакторов. С быстрым развитием 3D-печати сложные топологические структуры теперь могут быть эффективно и точно изготовлены путем штабелирования многослойных материалов. Фоновые структуры сложной топологии, включая пористые структуры, решетчатые структуры, ячеистые структуры и т.д., очень распространены в природной среде.
Сложная топология дает большие преимущества:
- С помощью большого количества отверстий можно значительно снизить вес геометрической модели, а также потребление энергии, материалов и времени производства.
- В связи со сходством с природными структурами, пористые свойства сложных топологических структур могут быть использованы в качестве имплантатов человека или строительных лесов для тканевой инженерии. Эти пористые структуры могут обеспечить достаточное пространство для прикрепления и размножения клеток.
- Структуры сложной топологии могут быть адаптированы для достижения многофункциональных целей путем корректировки параметров структур, таких как размер пор, форма пор, пористость или удельная площадь поверхности. Оптимально спроектированные конструкции могут применяться для поглощения энергии, шумопоглощения, виброизоляции или рассеивания тепла.
Хотя сложные топологические структуры обладают целым рядом преимуществ, их сложно изготовить традиционными производственными процессами. Исследователи предприняли несколько попыток изготовления сложных топологических структур путем выщелачивания соли, пенообразования, фазовой сепарации и сублимационной сушки.
3D-печать, также называемая аддитивным производством, представляет собой современную технологию послойного изготовления сложных моделей, независимо от геометрии формы. Благодаря технологии 3D- печати сложные топологические структуры могут быть изготовлены даже из различных материалов.
Технология автоматизированного проектирования является эффективным инструментом проектирования моделей для 3D-печати.
Сетевые модели или параметрические модели являются двумя наиболее часто используемыми методами представления 3D-геометрии. Однако они не идеально подходят для проектирования всех сложных топологических структур. Для получения точных результатов моделирования будут использованы многочисленные сетки для приближения разработанной модели, которая является высокоресурсосберегающей. Совсем недавно 3D-печать стала эффективной технологией для послойной эффективной обработки сложных конструкций. Тем не менее, требующие больших затрат времени и материалов проблемы с 3D печатью все еще являются большими проблемами. Замена твердых наполнителей пористыми структурами или другими сложными топологическими структурами является эффективным и удобным решением вышеуказанных проблем.
Выдавливание - это еще один удобный и прямой способ уменьшить расход материала.
Массивная модель может быть впаяна в тонкую стену с постоянной толщиной. При значительном снижении веса трудно гарантировать механическую прочность сгенерированной печатной модели. Тем не менее поры, образующиеся при этом методе, не связаны между собой, что может вызвать проблемы с технологией производства на основе порошкового спекания.
Искусство легкого дизайна конструкции для 3D-печати заключается в том, чтобы найти баланс между материалоемкими и физическими характеристиками. Для проектирования легких сложных конструкций был принят алгоритм оси носителя. Каркас шестиугольника приближается к исходной граничной поверхности модели.
Между тем, для соединения фреймворка с этими осями сгенерированных носителей используются разветвляющие полосы. Таким образом, спроектированные конструкции выдерживают нагрузки с разных сторон, что чаще всего встречается в реальных условиях эксплуатации.
Методы проектирования решеточной структуры.
Решетчатые структуры широко распространены в природных структурах, с периодически повторяющимися единицами и сложной топологией, которые также называются пористо-клеточными структурами. Помимо применения в качестве легких заполняющих лесов и пористых лесов, решетчатые конструкции могут также использоваться для поглощения звука, рассеивания тепла, изоляции вибрации, поглощения энергии. В последнее время все больше и больше моделей решеток применяются в качестве опорных конструкций в новых многослойных конструкциях в поперечных сдвиговых и компрессионных нагрузках для инженерных систем. С быстрым развитием аддитивного производства решетчатая структура, которую сложно изготовить по типичной технологии, может быть эффективно изготовлена с помощью 3D-печати. В настоящее время количество спроектированных модулей решетки относительно невелико, и большинство модульных ячеек слишком простые, чтобы представить сложные структуры, существующие в природе. Кроме того, в современных пакетах программного обеспечения для 3D- моделирования отсутствует поддержка проектирования решеточных структур.
Заключение.
- Конечной целью проектирования сложных топологических сооружений является их изготовление и последующее применение в реальных инженерных условиях. Метод проектирования должен в полной мере учитывать различные требования.
- Большинство современных методов являются лишь имитацией существующих природных структур, в то время как характеристики проектируемых структур не могут соответствовать характеристикам природных. Автоматизированные и удобные методы должны быть разработаны для создания точно таких же сложных топологических структур с природными структурами, в соответствии с надежными источниками данных, такими как КТ или МРТ изображения. Эта точная технология проектирования имеет значение для восстановления тканей или костей человеческого организма.
- Анализ и оптимизация проектирования являются ключевыми технологиями в методологии проектирования сложной топологии. Тем не менее, наиболее распространенным методом конечных элементов является метод конечных элементов, требующий очень много времени. И процесс зацепления оказывает непосредственное влияние на конечные результаты анализа. Сложные структуры еще больше усугубили нагрузку на расчеты. Для эффективного получения результатов расчетов должна быть разработана легковесная и удобная аналитическая платформа.
- Что касается структур данных сложных топологических структур, то существующие сетчатые модели или параметрические модели не являются идеальными. Необходимо разработать более эффективный и удобный формат данных для точного описания проектируемых структур с небольшим объемом данных. При этом структура данных должна быть совместима с существующей системой и оборудованием 3D-печати.
