Metode desain optimasi topologi struktur kisi dalam manufaktur aditif

Keunggulan unik dari struktur kisi

Struktur kisi adalah struktur berpori yang terdiri dari unit batang atau unit permukaan yang tersusun teratur, dan banyak digunakan di alam dan teknologi rekayasa. Dibandingkan dengan struktur padat tradisional, struktur kisi memiliki keunggulan unik seperti kekuatan spesifik yang tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi, kapasitas penyerapan energi yang kuat, dan efisiensi pertukaran panas yang tinggi. Kematangan teknologi pencetakan 3D memungkinkan pembuatan struktur kisi yang rumit, membuka ruang baru untuk desain yang ringan. Permintaan yang ringan di bidang kedirgantaraan mendorong perkembangan pesat penelitian dan penerapan struktur kisi. Dengan alasan memenuhi persyaratan penahan beban, pengurangan berat sebesar 20% -50% dapat dicapai dengan mengganti material padat dengan pengisi kisi dengan tetap menjaga sifat mekanik struktur.

Prinsip algoritma optimasi topologi

Optimasi topologi adalah metode optimasi matematis yang secara otomatis menemukan skema distribusi material optimal dalam domain desain, kondisi beban, dan batasan tertentu. Algoritma optimasi topologi yang umum digunakan meliputi metode kepadatan, metode set level, metode optimasi struktur evolusioner, dll. Metode kepadatan mendiskritisasi domain desain menjadi unit-unit terbatas, menetapkan variabel kepadatan ke setiap unit, dan menyesuaikan distribusi kepadatan melalui algoritma optimasi. Material ditahan di area yang kepadatannya mendekati 1, dan material dibuang di area yang kepadatannya mendekati 0. Metode set level melacak perubahan batas struktural melalui persamaan gerak antarmuka untuk mencapai optimalisasi bentuk dan topologi secara simultan. Metode optimasi struktur evolusioner menentukan apakah material harus dipertahankan berdasarkan kepadatan energi tegangan atau regangan, dan secara bertahap menghilangkan material yang tidak efisien. Algoritme ini dapat dikombinasikan dengan desain struktur kisi untuk mencapai desain yang efisien dan ringan.

Jenis kisi dan strategi pemilihan

Struktur kisi dapat dibagi menjadi tiga kategori menurut morfologi unit: kisi balok, kisi pelat, dan kisi cangkang. Kisi balok terdiri dari unit batang, dengan struktur sederhana dan desain fleksibel. Jenis yang umum termasuk kisi Kelvin, kisi berlian, rangka delapan posisi, dll. Kisi pelat terdiri dari elemen area, yang lebih kuat dan kaku, tetapi juga lebih rumit untuk dirancang. Kisi cangkang terdiri dari elemen cangkang melengkung dan memiliki sifat menahan beban serta kemampuan penyerapan energi yang sangat baik. Memilih jenis kisi memerlukan pertimbangan komprehensif mengenai persyaratan penahan beban, proses manufaktur, dan faktor biaya. Kisi balok cocok untuk sebagian besar proses pencetakan 3D, kisi pelat memerlukan akurasi produksi yang lebih tinggi, dan kisi cangkang memerlukan struktur pendukung untuk membantu produksi. Ukuran unit kisi biasanya berkisar antara 2-10 mm, ditentukan berdasarkan ukuran bagian dan persyaratan penahan beban.

Analisis dan verifikasi kinerja

Analisis kinerja struktur kisi dilakukan dengan menggunakan metode elemen hingga. Metode homogenisasi menyamakan kisi kristal dengan bahan medium kontinu, menghitung modulus dan kekuatan elastis yang setara, dan cocok untuk analisis struktur makro. Metode pemodelan langsung menetapkan model elemen hingga rinci dari kisi, yang secara akurat dapat menganalisis distribusi tegangan lokal dan mode kegagalan. Verifikasi eksperimental merupakan langkah penting untuk memastikan keandalan desain. Uji tarik, tekan, dan tekuk pada benda uji standar memperoleh data sifat mekanik bahan kisi. Pengujian kinerja kelelahan mengevaluasi ketahanan struktur kisi. Uji dampak memverifikasi kemampuan penyerapan energi. Bandingkan data dan analisis perbedaan antara prediksi simulasi dan hasil pengukuran aktual, serta perbaiki model material dan parameter desain.

Proses manufaktur dan kontrol kualitas

Pembuatan struktur kisi dengan pencetakan 3D memiliki persyaratan tinggi pada parameter proses. Kekuatan laser dan kecepatan pemindaian perlu dikontrol secara tepat untuk memastikan keakuratan dimensi dan kualitas permukaan unit batang atau unit permukaan. Desain struktur pendukung adalah penghubung utama. Struktur kisi yang rumit mungkin memerlukan penyangga internal, tetapi pelepasan penyangga sulit dilakukan dan mempengaruhi kualitas permukaan. Sudut swadaya perlu dipertimbangkan selama desain untuk mengurangi atau menghindari kebutuhan akan dukungan internal. Pengendalian deformasi termal sangat penting. Struktur kisi memiliki luas permukaan yang besar dan pembuangan panas yang cepat, namun juga rentan terhadap lengkungan akibat gradien suhu. Pemilihan material mempengaruhi kinerja kisi. Bahan logam seperti paduan titanium dan paduan aluminium cocok untuk struktur penahan beban, sedangkan bahan polimer seperti nilon cocok untuk bagian struktur umum. Pasca-pemrosesan meliputi penghilangan penyangga, pemolesan permukaan, perlakuan panas, dan proses lainnya.