Kaedah reka bentuk pengoptimuman topologi struktur kekisi dalam pembuatan bahan tambahan

Kelebihan unik struktur kekisi

Struktur kekisi ialah struktur berliang yang terdiri daripada unit rod atau unit permukaan yang disusun secara tetap, dan digunakan secara meluas dalam alam semula jadi dan teknologi kejuruteraan. Berbanding dengan struktur pepejal tradisional, struktur kekisi mempunyai kelebihan unik seperti kekuatan spesifik yang tinggi, kekukuhan spesifik yang tinggi, kapasiti penyerapan tenaga yang kuat, dan kecekapan pertukaran haba yang tinggi. Kematangan teknologi pencetakan 3D memungkinkan untuk mengeluarkan struktur kekisi yang kompleks, membuka ruang baharu untuk reka bentuk yang ringan. Permintaan ringan dalam bidang aeroangkasa memacu perkembangan pesat penyelidikan dan aplikasi struktur kekisi. Pada premis memenuhi keperluan galas beban, pengurangan berat 20%-50% boleh dicapai dengan menggantikan bahan pepejal dengan pengisian kekisi sambil mengekalkan sifat mekanikal struktur.

Prinsip algoritma pengoptimuman topologi

Pengoptimuman topologi ialah kaedah pengoptimuman matematik yang secara automatik mencari skim pengedaran bahan optimum di bawah domain reka bentuk tertentu, keadaan beban dan kekangan. Algoritma pengoptimuman topologi yang biasa digunakan termasuk kaedah ketumpatan, kaedah set tahap, kaedah pengoptimuman struktur evolusi, dsb. Kaedah ketumpatan mendiskrisikan domain reka bentuk kepada unit terhingga, memberikan pembolehubah ketumpatan kepada setiap unit dan melaraskan taburan ketumpatan melalui algoritma pengoptimuman. Bahan dikekalkan di kawasan di mana ketumpatan menghampiri 1, dan bahan dikeluarkan di kawasan di mana ketumpatan menghampiri 0. Kaedah set tahap menjejaki perubahan sempadan struktur melalui persamaan gerakan antara muka untuk mencapai pengoptimuman serentak bentuk dan topologi. Kaedah pengoptimuman struktur evolusi menentukan sama ada bahan harus dikekalkan berdasarkan tegasan atau ketumpatan tenaga terikan, dan secara beransur-ansur mengeluarkan bahan yang tidak cekap. Algoritma ini boleh digabungkan dengan reka bentuk struktur kekisi untuk mencapai reka bentuk yang cekap dan ringan.

Jenis kekisi dan strategi pemilihan

Struktur kekisi boleh dibahagikan kepada tiga kategori mengikut bentuk unit: kekisi rasuk, kekisi plat dan kekisi cangkerang. Kekisi rasuk terdiri daripada unit rod, dengan struktur ringkas dan reka bentuk yang fleksibel. Jenis biasa termasuk kekisi Kelvin, kekisi berlian, kekuda lapan kedudukan, dsb. Kekisi plat terdiri daripada elemen kawasan, yang lebih kuat dan kaku, tetapi juga lebih kompleks untuk direka bentuk. Kekisi cangkerang terdiri daripada elemen cangkerang melengkung dan mempunyai sifat galas beban yang sangat baik dan keupayaan penyerapan tenaga. Memilih jenis kekisi memerlukan pertimbangan menyeluruh tentang keperluan menanggung beban, proses pembuatan dan faktor kos. Kekisi rasuk sesuai untuk kebanyakan proses pencetakan 3D, kekisi plat memerlukan ketepatan pembuatan yang lebih tinggi, dan kekisi cangkerang memerlukan struktur sokongan untuk membantu pembuatan. Saiz unit kekisi biasanya dalam julat 2-10mm, ditentukan berdasarkan saiz bahagian dan keperluan galas beban.

Analisis dan pengesahan prestasi

Analisis prestasi struktur kekisi dijalankan menggunakan kaedah unsur terhingga. Kaedah penghomogenan menyamakan kekisi kristal kepada bahan sederhana berterusan, mengira modulus dan kekuatan elastik yang setara, dan sesuai untuk analisis makrostruktur. Kaedah pemodelan langsung mewujudkan model elemen terhingga terperinci bagi kekisi, yang boleh menganalisis dengan tepat taburan tekanan tempatan dan mod kegagalan. Pengesahan percubaan adalah langkah yang perlu untuk memastikan kebolehpercayaan reka bentuk. Ujian ketegangan, mampatan dan lenturan pada spesimen piawai memperoleh data sifat mekanikal bahan kekisi. Ujian prestasi keletihan menilai ketahanan struktur kekisi. Ujian kesan mengesahkan keupayaan penyerapan tenaga. Bandingkan data dan analisis perbezaan antara ramalan simulasi dan hasil pengukuran sebenar, dan betulkan model bahan dan parameter reka bentuk.

Proses pembuatan dan kawalan kualiti

Pengilangan cetakan 3D bagi struktur kekisi mempunyai keperluan yang tinggi pada parameter proses. Kuasa laser dan kelajuan pengimbasan perlu dikawal dengan tepat untuk memastikan ketepatan dimensi dan kualiti permukaan unit rod atau unit permukaan. Reka bentuk struktur sokongan adalah pautan utama. Struktur kekisi kompleks mungkin memerlukan sokongan dalaman, tetapi penyingkiran sokongan sukar dan menjejaskan kualiti permukaan. Sudut sokongan diri perlu dipertimbangkan semasa reka bentuk untuk mengurangkan atau mengelakkan keperluan untuk sokongan dalaman. Kawalan ubah bentuk terma adalah sangat penting. Struktur kekisi mempunyai luas permukaan yang besar dan pelesapan haba yang cepat, tetapi ia juga terdedah kepada meledingkan disebabkan oleh kecerunan suhu. Pemilihan bahan mempengaruhi prestasi kekisi. Bahan logam seperti aloi titanium dan aloi aluminium sesuai untuk struktur menanggung beban, manakala bahan polimer seperti nilon sesuai untuk bahagian struktur am. Pasca pemprosesan termasuk penyingkiran sokongan, penggilap permukaan, rawatan haba dan proses lain.