Введение: свобода дизайна и функциональная ценность пористых структур
Одним из основных преимуществ технологии 3D-печати является реализация сложных геометрических структур, которых невозможно достичь с помощью традиционных производственных процессов. Пористая структура – одно из наиболее представительных применений. Вводя в твердые материалы поры регулярной или неправильной формы, пористые структуры позволяют значительно снизить вес, сохраняя при этом прочность конструкции, и в то же время придать деталям специальные функции, такие как вентиляция, фильтрация, поглощение энергии и теплообмен. От легких стентов в аэрокосмической отрасли до человеческих имплантатов в медицинских устройствах и фильтрующих элементов в химической промышленности — пористые структуры переопределяют границы возможностей в проектировании деталей.
По сравнению с традиционными производственными процессами (такими как литье и механическая обработка) 3D-печать имеет значительные преимущества при изготовлении пористых структур. Традиционные процессы изготовления пористых структур обычно основаны на таких методах, как вспенивание, спекание или химическое травление. Пористость, диаметр пор и форму пор трудно точно контролировать, а структурная последовательность плохая. 3D-печать позволяет точно контролировать геометрические характеристики пор посредством параметрического проектирования, обеспечивая любой дизайн диаметра пор от микронного уровня до миллиметра, и обеспечивает превосходную стабильность партии. В этой статье будут систематически представлены методы проектирования, выбор процессов, характеристики производительности и сценарии применения 3D-печатных пористых структур, а также предоставлены инженерам практические рекомендации по проектированию.
Классификация и геометрические характеристики пористых структур
В зависимости от расположения пор пористые структуры можно разделить на две категории: регулярные пористые структуры и случайные пористые структуры. Обычные пористые структуры (такие как сотовые структуры и решетчатые структуры) имеют периодически расположенные блоки пор, поэтому можно точно спроектировать форму, диаметр пор и пористость. К обычным регулярным пористым структурам относятся кубическая решетка, объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК), алмазная решетка, решетка гироскопа и т. д. Каждая из этих структур имеет свои особенности: решетка ОЦК обладает хорошей изотропией и пригодна для восприятия разнонаправленных нагрузок; алмазная решетка имеет большую удельную поверхность и подходит для фильтрационного и каталитического применения; Решетка гироскопа имеет отличное соотношение жесткости и веса и подходит для облегченной конструкции.
Случайные пористые структуры имитируют пористые материалы в природе (например, кости и губки). Распределение пор и их связность случайны, но статистические характеристики можно контролировать. Случайные пористые структуры обычно создаются с помощью таких алгоритмов, как разделение Вороного, шум Перлина, случайная упаковка шариков и т. д. Преимущество структуры этого типа заключается в том, что она ближе к механическому поведению природных материалов и позволяет избежать проблемы концентрации напряжений в определенных направлениях регулярных структур. В конструкции медицинских имплантатов случайная пористая структура ближе к микроструктуре костной ткани человека, что способствует прорастанию и остеоинтеграции костных клеток.
Ключевые геометрические параметры пористой структуры включают пористость (Porosity), размер пор (Pore Size), толщину стенок пор (Strut Thickness) и удельную площадь поверхности (Specific Surface Area). Пористость определяется как процент объема пор от общего объема, обычно от 30% до 90%. Диаметр пор относится к характерному размеру одной поры и варьируется от десятков микрон до нескольких миллиметров. дыраТолщина стенки напрямую влияет на прочность конструкции и возможность изготовления и обычно составляет не менее 0,3 мм (процесс FDM) или 0,2 мм (процесс SLA/SLS). Удельная поверхность обратно пропорциональна размеру пор. Чем меньше размер пор, тем больше удельная площадь поверхности, что подходит для применений, требующих высокой поверхностной активности.
Методы проектирования пористых структур и программные инструменты
Для проектирования пористых структур требуются профессиональные программные инструменты. Основное программное обеспечение для 3D-моделирования (например, SolidWorks, CATIA, NX) может создавать простые регулярные пористые структуры посредством параметрического моделирования, но для сложных решетчатых или случайных пористых структур обычно требуются специальные плагины или программное обеспечение. nTopology (теперь nTop) в настоящее время является самым мощным программным обеспечением для проектирования решетчатых структур, поддерживающим параметрическое создание нескольких типов решеток, градиентное проектирование, оптимизацию на основе поля и бесшовную интеграцию с твердотельными структурами. Модуль решетки Materialize Magics также предоставляет богатую библиотеку решеток и инструменты автоматического создания.
Для пользователей с открытым исходным кодом Blender в сочетании с подключаемым модулем Lattice2, решетчатой рабочей средой FreeCAD и специальными скриптами на основе Python (например, использование библиотек PyVista, Trimesh) являются возможными вариантами. Процесс проектирования обычно включает в себя следующие этапы: сначала определяют пространство проектирования (Design Space), то есть область, которую необходимо заполнить пористой структурой; затем выберите тип решетки и основные параметры (диаметр пор, толщину стенок пор, размер агрегата); затем выполните заполнение решетки и обрезку границ; наконец, проведите проверку структурного анализа (FEA) и отрегулируйте местные параметры в соответствии с распределением напряжений. Для функционально-ориентированного проектирования оптимизация топологии в сочетании с заполнением решетки также может использоваться для увеличения толщины стенок отверстий или уменьшения пористости в зонах концентрации напряжений.
Градиентные пористые структуры в последние годы стали горячей темой дизайна. Задавая различную пористость и размеры пор в разных областях детали, можно добиться индивидуального распределения свойств. Например, при конструкции имплантата поверхность, контактирующая с костной тканью, имеет высокую пористость (70–80 %) для содействия остеоинтеграции, а внутренняя часть ядра имеет низкую пористость (30–50 %) для обеспечения структурной прочности. Градиентный дизайн может быть достигнут путем определения поля плотности. Переменные поля могут быть функциями пространственных координат или функциями, связанными с механическими свойствами (такими как напряжение, деформация). Современное программное обеспечение для проектирования поддерживает проектирование с учетом полевых условий, что значительно упрощает создание градиентных пористых структур.
Адаптация процессов 3D-печати к пористым структурам
Производственные возможности различных процессов 3D-печати пористых структур значительно различаются. 3D-печать металлом (SLM, EBM) — лучший выбор для изготовления металлических пористых конструкций. Он может создавать сложные решетчатые структуры с диаметром пор всего 0,5 мм и толщиной стенок пор всего 0,2 мм. Пористая структура титанового сплава, изготовленная методом SLM, широко используется в ортопедических имплантатах. Его модуль упругости можно регулировать в диапазоне 4-20 ГПа путем регулировки пористости, которая близка к кортикальной кости человека (10-30ГПа), эффективно избегая эффекта защиты от напряжений. Благодаря высокой температуре формования процесс EBM подходит для изготовления крупногабаритных конструкций из пористых титановых сплавов, но шероховатость поверхности велика.
В полимерной 3D-печати SLS (селективное лазерное спекание) является идеальным процессом для изготовления нейлоновых пористых структур. SLS позволяет создавать сложные решетчатые структуры без подложек, а спеченные пористые детали обладают хорошими механическими свойствами. Процесс FDM сложен для изготовления закрытых пористых структур из-за необходимости в опорных конструкциях, но он по-прежнему возможен для структур с открытыми порами (например, сотовых структур). Процесс светоотверждения SLA позволяет создавать чрезвычайно точные микропористые структуры с диаметром пор до 0,2 мм, которые подходят для прецизионных применений, таких как микрофлюидные чипы и каркасы для тканевой инженерии. Однако детали SLA необходимо тщательно очистить и отверждать, а остатки смолы внутри пор могут повлиять на производительность.
Ключевые параметры процесса печати на пористых структурах включают мощность лазера, скорость сканирования, толщину слоя и стратегию сканирования. Для процесса SLM слишком низкая мощность лазера приведет к недостаточному плавлению стенки отверстия и недостаточной прочности; слишком высокая мощность может привести к разрушению стенки отверстия и сжатию апертуры. Стратегия сканирования оказывает существенное влияние на анизотропию пористой структуры, а стратегия вращательного сканирования может уменьшить анизотропию. Выбор толщины слоя требует баланса между точностью и эффективностью. Обычно для прецизионных пористых конструкций подходит толщина слоя 0,03-0,05 мм. Направление печати также будет влиять на фактическую производительность пористой структуры. Рекомендуется провести проверку процесса, чтобы определить наилучшее направление печати.
Описание характеристик и методы испытаний пористых структур
Описание характеристик пористых структур включает в себя три аспекта: определение геометрических характеристик, испытание механических свойств и функциональное испытание. Геометрическая характеристика в основном достигается с помощью микро-КТ (микро-КТ) сканирования, которое позволяет получить трехмерную морфологию внутренних пор пористой структуры, измерить такие параметры, как фактическая пористость, распределение пор по размерам и толщину стенок пор, и сравнить их с расчетными значениями. Микро-КТ также может обнаруживать производственные дефекты, такие как отсутствие стенок отверстия, непровар, сфероидизация и т. д., обеспечивая прямую основу для оптимизации процесса.
Испытание механических свойств требует выбора соответствующих методов тестирования в зависимости от сценария применения. Для легких конструкций испытание на сжатие является самым базовым испытанием, с помощью которого можно получить такие ключевые параметры, как модуль упругости платформы, напряжение платформы и деформация уплотнения. Испытание на растяжение одинаково важно для пористых конструкций, подвергающихся растягивающим нагрузкам. Для применения имплантатов также необходимы испытания на усталость, поскольку имплантаты должны выдерживать миллионы циклических нагрузок внутри человеческого тела. Механические свойства пористых структур обычно демонстрируют значительную анизотропию, поэтому для создания полной базы данных механических свойств необходимы испытания в нескольких направлениях.
Функциональное тестирование предназначено для конкретных сценариев применения. Испытание на воздухопроницаемость используется для оценки пористых структур для фильтрации и вентиляции; испытания характеристик теплопередачи используются для оценки применения теплообменников; тестирование цитосовместимости используется для оценки медицинских имплантатов; а тестирование характеристик поглощения энергии используется для оценки амортизирующих и защитных применений. Эти тесты часто требуют изготовленных на заказ специализированных приспособлений и испытательных установок. Результаты испытаний следует объединять с анализом моделирования, чтобы проверить точность проектной модели и предоставить рекомендации для последующих итераций проектирования.гид.
Типичные сценарии применения и варианты проектирования
Аэрокосмическая отрасль является одной из наиболее развитых областей применения пористых структур. Кронштейны сидений самолета, кронштейны двигателя, детали конструкции спутников и т. д. изготовлены из пористых структур из титанового или алюминиевого сплава, что позволяет снизить вес на 30-60%, сохраняя при этом прочность конструкции, значительно снижая расход топлива или увеличивая полезную нагрузку. Компания Boeing использует пористые структуры, напечатанные на 3D-принтере, для производства деталей пассажирского самолета 787, что позволяет снизить вес одной детали более чем на 40%. Ключевыми моментами проектирования являются использование оптимизации топологии для определения пути потока силы, использование низкопористых или твердых структур в областях с интенсивным силовым потоком и использование решетчатого заполнения с высокой пористостью во второстепенных областях.
Медицинские имплантаты — наиболее социально ценное применение пористых структур. Точно контролируя пористость и размер пор, имплантаты с пористой структурой из титанового сплава могут способствовать прорастанию костных клеток в поры, формированию остеоинтеграции и значительно улучшать долгосрочную стабильность имплантата. Такие имплантаты, как тазобедренные суставы, коленные суставы и межпозвонковые спондилодезические клетки, были одобрены FDA и коммерчески доступны. Ключевыми моментами конструкции являются то, что в поверхностном слое используются крупные поры (500–800 мкм) и высокая пористость (70–80%), а во внутреннем ядре используются мелкие поры и низкая пористость для достижения функционального градиентного дизайна. Кроме того, пористые структуры также можно использовать в качестве каркасов для тканевой инженерии, обеспечивая трехмерные шаблоны для роста клеток.
В химической и энергетической областях пористые структуры используются для изготовления высокоэффективных теплообменников, носителей катализаторов и фильтрующих элементов. Благодаря большой удельной поверхности и сложным жидкостным каналам эффективность теплообмена пористых теплообменников, изготовленных методом 3D-печати металлом, более чем на 50% выше, чем у традиционных теплообменников. Носитель катализатора имеет пористую структуру, которая может значительно повысить эффективность каталитической реакции. Фильтрующий элемент имеет градиентную пористую структуру. Поверхностный слой использует мелкие поры для фильтрации примесей, а внутренний слой использует крупные поры для уменьшения сопротивления течению. Целью разработки этих приложений является баланс сопротивления жидкости, точности фильтрации и прочности конструкции, что часто требует оптимизации с помощью моделирования вычислительной гидродинамики (CFD).
Заключение и перспективы
Дизайн пористой структуры является важным проявлением свободы дизайна, предоставляемой технологией 3D-печати. Благодаря рациональному проектированию геометрических характеристик и пространственного распределения пор в одной детали можно достичь множества целей: легкости, функциональности и настройки производительности. Благодаря постоянному совершенствованию программного обеспечения для проектирования, инструментов моделирования и процессов печати сфера применения пористых структур будет и дальше расширяться, проникая от высокотехнологичных производственных областей до потребительских товаров, архитектуры, моды и других областей.
В будущем дизайн пористых структур будет развиваться в направлении интеллектуального, многомасштабного и многофункционального. 4D-печать (сочетание интеллектуальных материалов и пористых структур) позволит пористым структурам иметь адаптивные возможности; многомасштабные пористые структуры (дизайн пор в различных масштабах от нанометров до макроскопических) обеспечат более сложную функциональную интеграцию; Бионические пористые структуры (имитирующие натуральные материалы, такие как кости, дерево, губки и т. д.) обеспечат производительность, превосходящую традиционные конструкции. Для инженеров-конструкторов освоение методов проектирования пористых структур станет одним из основных конкурентных преимуществ в эпоху 3D-печати.
Отправьте модель, чертёж, изображение или письменные заметки. Инженеры подберут материал, технологию, отделку и доставку в зависимости от реального применения.