Método de projeto de otimização de topologia de estrutura treliçada em manufatura aditiva

As vantagens exclusivas da estrutura treliçada

A estrutura treliçada é uma estrutura porosa composta por unidades de haste ou unidades de superfície dispostas regularmente e é amplamente utilizada na natureza e na tecnologia de engenharia. Em comparação com as estruturas sólidas tradicionais, as estruturas treliçadas têm vantagens únicas, como alta resistência específica, alta rigidez específica, forte capacidade de absorção de energia e alta eficiência de troca de calor. A maturidade da tecnologia de impressão 3D torna possível a fabricação de estruturas treliçadas complexas, abrindo um novo espaço para designs leves. A demanda leve no campo aeroespacial impulsiona o rápido desenvolvimento da pesquisa e aplicação de estruturas treliçadas. Com a premissa de atender aos requisitos de suporte de carga, uma redução de peso de 20% a 50% pode ser alcançada substituindo materiais sólidos por preenchimento de treliça, mantendo as propriedades mecânicas da estrutura.

Princípio do algoritmo de otimização topológica

A otimização topológica é um método de otimização matemática que encontra automaticamente o esquema ideal de distribuição de material sob um determinado domínio de projeto, condições de carga e restrições. Algoritmos de otimização de topologia comumente usados ​​incluem método de densidade, método de conjunto de níveis, método de otimização de estrutura evolutiva, etc. O método de densidade discretiza o domínio de projeto em unidades finitas, atribui variáveis ​​de densidade a cada unidade e ajusta a distribuição de densidade por meio de um algoritmo de otimização. Os materiais são retidos em áreas onde a densidade se aproxima de 1 e os materiais são removidos em áreas onde a densidade se aproxima de 0. O método de definição de nível rastreia as mudanças nos limites estruturais através da equação de movimento da interface para obter otimização simultânea da forma e da topologia. O método evolutivo de otimização da estrutura determina se os materiais devem ser retidos com base na densidade de energia de tensão ou deformação e remove gradualmente os materiais ineficientes. Esses algoritmos podem ser combinados com o projeto da estrutura em treliça para obter um projeto eficiente e leve.

Tipos de rede e estratégias de seleção

As estruturas de rede podem ser divididas em três categorias de acordo com a morfologia da unidade: rede de viga, rede de placas e rede de casca. A treliça da viga é composta por unidades de haste, com estrutura simples e design flexível. Os tipos comuns incluem treliça Kelvin, treliça de diamante, treliça de oito posições, etc. As treliças de placas são compostas por elementos de área, que são mais fortes e rígidos, mas também mais complexos de projetar. A estrutura da casca é composta por elementos curvos da casca e possui excelentes propriedades de suporte de carga e capacidade de absorção de energia. A escolha de um tipo de treliça requer uma consideração abrangente dos requisitos de suporte de carga, processos de fabricação e fatores de custo. A estrutura de feixe é adequada para a maioria dos processos de impressão 3D, a estrutura de placas requer maior precisão de fabricação e a estrutura de casca requer estrutura de suporte para auxiliar na fabricação. O tamanho da unidade de treliça geralmente está na faixa de 2 a 10 mm, determinado com base no tamanho da peça e nos requisitos de suporte de carga.

Análise e verificação de desempenho

A análise de desempenho da estrutura treliçada é realizada usando o método dos elementos finitos. O método de homogeneização iguala a rede cristalina a um material de meio contínuo, calcula o módulo de elasticidade e a resistência equivalentes e é adequado para análise de macroestrutura. O método de modelagem direta estabelece um modelo detalhado de elementos finitos da rede, que pode analisar com precisão a distribuição de tensões locais e os modos de falha. A verificação experimental é uma etapa necessária para garantir a confiabilidade do projeto. Testes de tensão, compressão e flexão em amostras padrão obtêm dados de propriedades mecânicas de materiais treliçados. O teste de desempenho de fadiga avalia a durabilidade das estruturas treliçadas. Os testes de impacto verificam as capacidades de absorção de energia. Compare os dados e analise as diferenças entre as previsões da simulação e os resultados reais da medição e corrija o modelo do material e os parâmetros do projeto.

Processo de fabricação e controle de qualidade

A fabricação por impressão 3D de estruturas treliçadas possui altos requisitos em parâmetros de processo. A potência do laser e a velocidade de digitalização precisam ser controladas com precisão para garantir a precisão dimensional e a qualidade da superfície da unidade de haste ou unidade de superfície. O design da estrutura de suporte é um elo fundamental. Estruturas treliçadas complexas podem exigir suportes internos, mas a remoção do suporte é difícil e afeta a qualidade da superfície. O ângulo autoportante precisa ser considerado durante o projeto para reduzir ou evitar a necessidade de suporte interno. O controle da deformação térmica é muito importante. A estrutura treliçada tem uma grande área de superfície e rápida dissipação de calor, mas também está sujeita a deformações devido a gradientes de temperatura. A seleção do material afeta o desempenho da rede. Materiais metálicos como liga de titânio e liga de alumínio são adequados para estruturas de suporte de carga, enquanto materiais poliméricos como náilon são adequados para peças estruturais em geral. O pós-processamento inclui remoção de suporte, polimento de superfície, tratamento térmico e outros processos.