Método de diseño de optimización de topología de estructura reticular en fabricación aditiva

Las ventajas únicas de la estructura reticular

La estructura reticular es una estructura porosa compuesta de unidades de varillas o unidades de superficie dispuestas regularmente, y se usa ampliamente en la naturaleza y la tecnología de ingeniería. En comparación con las estructuras sólidas tradicionales, las estructuras de celosía tienen ventajas únicas, como alta resistencia específica, alta rigidez específica, gran capacidad de absorción de energía y alta eficiencia de intercambio de calor. La madurez de la tecnología de impresión 3D permite fabricar estructuras reticulares complejas, abriendo un nuevo espacio para el diseño ligero. La demanda de peso ligero en el campo aeroespacial impulsa el rápido desarrollo de la investigación y aplicación de estructuras reticulares. Con la premisa de cumplir con los requisitos de carga, se puede lograr una reducción de peso del 20% al 50% reemplazando los materiales sólidos con relleno de celosía manteniendo al mismo tiempo las propiedades mecánicas de la estructura.

Principio del algoritmo de optimización de la topología

La optimización de la topología es un método de optimización matemática que encuentra automáticamente el esquema óptimo de distribución de materiales bajo un dominio de diseño, condiciones de carga y restricciones determinados. Los algoritmos de optimización de topología comúnmente utilizados incluyen el método de densidad, el método de conjunto de niveles, el método de optimización de la estructura evolutiva, etc. El método de densidad discretiza el dominio de diseño en unidades finitas, asigna variables de densidad a cada unidad y ajusta la distribución de densidad mediante un algoritmo de optimización. Los materiales se retienen en áreas donde la densidad se acerca a 1 y los materiales se eliminan en áreas donde la densidad se acerca a 0. El método de conjunto de niveles rastrea los cambios de límites estructurales a través de la ecuación de movimiento de la interfaz para lograr la optimización simultánea de la forma y la topología. El método de optimización de la estructura evolutiva determina si los materiales deben retenerse en función de la densidad de energía de tensión o deformación y elimina gradualmente los materiales ineficientes. Estos algoritmos se pueden combinar con el diseño de estructuras reticulares para lograr un diseño eficiente y liviano.

Tipos de celosías y estrategias de selección

Las estructuras de celosías se pueden dividir en tres categorías según la morfología de la unidad: celosías de vigas, celosías de placas y celosías de conchas. La celosía de vigas se compone de unidades de varillas, con estructura simple y diseño flexible. Los tipos comunes incluyen celosía Kelvin, celosía de diamante, armadura de ocho posiciones, etc. Las celosías de placas se componen de elementos de área, que son más fuertes y rígidos, pero también más complejos de diseñar. La celosía de la carcasa está compuesta por elementos de carcasa curvos y tiene excelentes propiedades de carga y capacidades de absorción de energía. La elección de un tipo de celosía requiere una consideración exhaustiva de los requisitos de carga, los procesos de fabricación y los factores de coste. La celosía de vigas es adecuada para la mayoría de los procesos de impresión 3D, la celosía de placas requiere una mayor precisión de fabricación y la celosía de conchas requiere una estructura de soporte para ayudar en la fabricación. El tamaño de la unidad de celosía suele estar en el rango de 2 a 10 mm, y se determina en función del tamaño de la pieza y los requisitos de carga.

Análisis y verificación del desempeño

El análisis del desempeño de la estructura reticular se realiza mediante el método de los elementos finitos. El método de homogeneización equipara la red cristalina con un material medio continuo, calcula el módulo elástico y la resistencia equivalentes y es adecuado para el análisis de macroestructura. El método de modelado directo establece un modelo detallado de elementos finitos de la red, que puede analizar con precisión la distribución de tensiones locales y los modos de falla. La verificación experimental es un paso necesario para garantizar la confiabilidad del diseño. Las pruebas de tensión, compresión y flexión en muestras estándar obtienen datos de propiedades mecánicas de materiales reticulares. Las pruebas de rendimiento a la fatiga evalúan la durabilidad de las estructuras reticulares. Las pruebas de impacto verifican las capacidades de absorción de energía. Compare datos y analice las diferencias entre las predicciones de la simulación y los resultados de medición reales, y corrija el modelo de material y los parámetros de diseño.

Proceso de fabricación y control de calidad

La fabricación por impresión 3D de estructuras reticulares tiene altos requisitos en cuanto a los parámetros del proceso. La potencia del láser y la velocidad de escaneo deben controlarse con precisión para garantizar la precisión dimensional y la calidad de la superficie de la unidad de varilla o de la unidad de superficie. El diseño de la estructura de soporte es un vínculo clave. Las estructuras reticulares complejas pueden requerir soportes internos, pero su eliminación es difícil y afecta la calidad de la superficie. Es necesario considerar el ángulo de autosoporte durante el diseño para reducir o evitar la necesidad de soporte interno. El control de la deformación térmica es muy importante. La estructura reticular tiene una gran superficie y una rápida disipación del calor, pero también es propensa a deformarse debido a los gradientes de temperatura. La selección del material afecta el rendimiento de la red. Los materiales metálicos como las aleaciones de titanio y las aleaciones de aluminio son adecuados para estructuras de carga, mientras que los materiales poliméricos como el nailon son adecuados para piezas estructurales en general. El posprocesamiento incluye la eliminación de soportes, el pulido de superficies, el tratamiento térmico y otros procesos.