Ontwerpmethode voor optimalisatie van roosterstructuurtopologie bij additieve productie

De unieke voordelen van de roosterstructuur

De roosterstructuur is een poreuze structuur die bestaat uit regelmatig gerangschikte staafeenheden of oppervlakte-eenheden, en wordt veel gebruikt in de natuur en technische technologie. Vergeleken met traditionele massieve structuren hebben roosterstructuren unieke voordelen zoals hoge specifieke sterkte, hoge specifieke stijfheid, sterk energieabsorptievermogen en hoge warmte-uitwisselingsefficiëntie. De volwassenheid van de 3D-printtechnologie maakt het mogelijk om complexe roosterstructuren te vervaardigen, waardoor een nieuwe ruimte ontstaat voor lichtgewicht ontwerp. De vraag naar lichtgewichten op het gebied van de lucht- en ruimtevaart stimuleert de snelle ontwikkeling van onderzoek en toepassing op het gebied van roosterstructuren. Uitgaande van het voldoen aan de draaglasteisen kan een gewichtsreductie van 20% tot 50% worden bereikt door vaste materialen te vervangen door roostervulling, terwijl de mechanische eigenschappen van de constructie behouden blijven.

Principe van het topologie-optimalisatie-algoritme

Topologie-optimalisatie is een wiskundige optimalisatiemethode die automatisch het optimale materiaaldistributieschema vindt onder een bepaald ontwerpdomein, belastingsomstandigheden en beperkingen. Veelgebruikte algoritmen voor topologie-optimalisatie zijn onder meer de dichtheidsmethode, de niveausetmethode, de evolutionaire structuuroptimalisatiemethode, enz. De dichtheidsmethode discretiseert het ontwerpdomein in eindige eenheden, wijst dichtheidsvariabelen toe aan elke eenheid en past de dichtheidsverdeling aan via een optimalisatiealgoritme. Materialen worden vastgehouden in gebieden waar de dichtheid 1 benadert, en materialen worden verwijderd in gebieden waar de dichtheid 0 nadert. De niveausetmethode volgt structurele grensveranderingen via de interfacebewegingsvergelijking om gelijktijdige optimalisatie van vorm en topologie te bereiken. De evolutionaire structuuroptimalisatiemethode bepaalt of materialen moeten worden behouden op basis van de energiedichtheid van spanning of rek, en verwijdert geleidelijk inefficiënte materialen. Deze algoritmen kunnen worden gecombineerd met een roosterstructuurontwerp om een ​​efficiënt en lichtgewicht ontwerp te bereiken.

Rastertypen en selectiestrategieën

Rasterstructuren kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën op basis van eenheidsvormen: balkenrooster, plaatrooster en schaalrooster. Het balkrooster is samengesteld uit staafeenheden, met een eenvoudige structuur en een flexibel ontwerp. Veel voorkomende typen zijn onder meer Kelvin-rooster, diamantrooster, truss met acht posities, enz. Plaatroosters zijn samengesteld uit oppervlakte-elementen, die sterker en stijver zijn, maar ook complexer om te ontwerpen. Het schaalrooster is samengesteld uit gebogen schaalelementen en heeft uitstekende draageigenschappen en energieabsorberende eigenschappen. Het kiezen van een roostertype vereist een uitgebreide afweging van de draagvereisten, productieprocessen en kostenfactoren. Balkrooster is geschikt voor de meeste 3D-printprocessen, plaatrooster vereist een hogere productienauwkeurigheid en schaalrooster vereist een ondersteunende structuur om de productie te ondersteunen. De grootte van de roostereenheid ligt gewoonlijk in het bereik van 2-10 mm, bepaald op basis van de onderdeelgrootte en draaglastvereisten.

Prestatieanalyse en verificatie

De prestatieanalyse van de roosterstructuur wordt uitgevoerd met behulp van de eindige elementenmethode. De homogenisatiemethode stelt het kristalrooster gelijk aan een continu mediummateriaal, berekent de equivalente elastische modulus en sterkte en is geschikt voor macrostructuuranalyse. De directe modelleringsmethode stelt een gedetailleerd eindige-elementenmodel van het rooster vast, dat de lokale spanningsverdeling en faalwijzen nauwkeurig kan analyseren. Experimentele verificatie is een noodzakelijke stap om de betrouwbaarheid van het ontwerp te garanderen. Trek-, compressie- en buigtests op standaardmonsters verkrijgen gegevens over de mechanische eigenschappen van roostermaterialen. Vermoeidheidstests evalueren de duurzaamheid van roosterconstructies. Impacttests verifiëren het energieabsorptievermogen. Vergelijk gegevens en analyseer de verschillen tussen simulatievoorspellingen en daadwerkelijke meetresultaten, en corrigeer het materiaalmodel en de ontwerpparameters.

Fabricageproces en kwaliteitscontrole

De 3D-printproductie van roosterstructuren stelt hoge eisen aan procesparameters. Het laservermogen en de scansnelheid moeten nauwkeurig worden gecontroleerd om de maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit van de staafeenheid of oppervlakte-eenheid te garanderen. Het ontwerp van de draagconstructie is een belangrijke schakel. Complexe roosterstructuren kunnen interne ondersteuningen vereisen, maar het verwijderen van ondersteuningen is moeilijk en beïnvloedt de oppervlaktekwaliteit. Bij het ontwerp moet rekening worden gehouden met de zelfdragende hoek om de behoefte aan interne ondersteuning te verminderen of te vermijden. Controle van thermische vervorming is erg belangrijk. De roosterstructuur heeft een groot oppervlak en een snelle warmteafvoer, maar is ook gevoelig voor kromtrekken als gevolg van temperatuurgradiënten. Materiaalkeuze beïnvloedt de roosterprestaties. Metalen materialen zoals titaniumlegeringen en aluminiumlegeringen zijn geschikt voor dragende constructies, terwijl polymere materialen zoals nylon geschikt zijn voor algemene structurele onderdelen. Nabewerking omvat het verwijderen van ondersteuning, polijsten van oppervlakken, warmtebehandeling en andere processen.