Метод оптимизации топологии решетчатой ​​структуры в аддитивном производстве

Уникальные преимущества решетчатой ​​структуры

Решетчатая структура представляет собой пористую структуру, состоящую из регулярно расположенных стержневых или поверхностных единиц, и широко используется в природе и инженерных технологиях. По сравнению с традиционными твердыми конструкциями решетчатые конструкции обладают уникальными преимуществами, такими как высокая удельная прочность, высокая удельная жесткость, высокая способность поглощения энергии и высокая эффективность теплообмена. Развитость технологии 3D-печати позволяет изготавливать сложные решетчатые конструкции, открывая новые возможности для легкого дизайна. Спрос на легкий вес в аэрокосмической области стимулирует быстрое развитие исследований и применений решетчатых структур. При условии соблюдения требований по несущей способности можно добиться снижения веса на 20–50 % за счет замены твердых материалов решетчатым заполнением при сохранении механических свойств конструкции.

Принцип алгоритма оптимизации топологии

Оптимизация топологии — это метод математической оптимизации, который автоматически находит оптимальную схему распределения материала в заданной области проектирования, условиях нагрузки и ограничениях. Обычно используемые алгоритмы оптимизации топологии включают метод плотности, метод набора уровней, метод оптимизации эволюционной структуры и т. д. Метод плотности дискретизирует область проектирования на конечные единицы, присваивает переменные плотности каждой единице и регулирует распределение плотности с помощью алгоритма оптимизации. Материалы сохраняются в областях, где плотность приближается к 1, а материалы удаляются в областях, где плотность приближается к 0. Метод набора уровней отслеживает изменения структурных границ с помощью уравнения движения интерфейса для достижения одновременной оптимизации формы и топологии. Метод оптимизации эволюционной структуры определяет, следует ли сохранять материалы, на основе плотности энергии напряжения или деформации, и постепенно удаляет неэффективные материалы. Эти алгоритмы можно комбинировать с проектированием решетчатой ​​структуры для достижения эффективной и легкой конструкции.

Типы решеток и стратегии выбора

Решетчатые конструкции можно разделить на три категории в зависимости от морфологии элементов: балочная решетка, пластинчатая решетка и решетка-оболочка. Решетка балки состоит из стержневых блоков простой конструкции и гибкой конструкции. Распространенные типы включают решетку Кельвина, ромбовидную решетку, восьмипозиционную ферму и т. д. Пластинчатые решетки состоят из площадных элементов, которые более прочны и жестки, но и более сложны в конструкции. Решетка оболочки состоит из изогнутых элементов оболочки и обладает превосходными несущими свойствами и способностью поглощать энергию. Выбор типа решетки требует всестороннего учета требований к несущей способности, производственных процессов и факторов стоимости. Балочная решетка подходит для большинства процессов 3D-печати, пластинчатая решетка требует более высокой точности изготовления, а оболочечная решетка требует опорной конструкции для облегчения производства. Размер элемента решетки обычно находится в диапазоне 2–10 мм и определяется в зависимости от размера детали и требований к несущей способности.

Анализ и проверка производительности

Анализ производительности решетчатой ​​конструкции проводится с использованием метода конечных элементов. Метод гомогенизации приравнивает кристаллическую решетку к материалу сплошной среды, рассчитывает эквивалентный модуль упругости и прочность и подходит для анализа макроструктуры. Метод прямого моделирования создает детальную модель решетки методом конечных элементов, которая позволяет точно анализировать локальное распределение напряжений и режимы разрушения. Экспериментальная проверка является необходимым шагом для обеспечения надежности конструкции. Испытания на растяжение, сжатие и изгиб стандартных образцов позволяют получить данные о механических свойствах решетчатых материалов. Усталостные испытания оценивают долговечность решетчатых конструкций. Испытания на удар проверяют способность поглощать энергию. Сравнивайте данные и анализируйте различия между прогнозами моделирования и фактическими результатами измерений, а также корректируйте модель материала и параметры конструкции.

Производственный процесс и контроль качества

При изготовлении решетчатых конструкций с помощью 3D-печати предъявляются высокие требования к технологическим параметрам. Мощность лазера и скорость сканирования необходимо точно контролировать, чтобы обеспечить точность размеров и качество поверхности стержня или поверхностного блока. Проектирование опорной структуры является ключевым звеном. Сложные решетчатые конструкции могут потребовать внутренних опор, но удаление опор затруднено и влияет на качество поверхности. Самонесущий угол необходимо учитывать при проектировании, чтобы уменьшить или избежать необходимости внутренней поддержки. Контроль термической деформации очень важен. Решётчатая структура имеет большую площадь поверхности и быстрый отвод тепла, но она также склонна к короблению из-за температурных градиентов. Выбор материала влияет на характеристики решетки. Металлические материалы, такие как титановый сплав и алюминиевый сплав, подходят для несущих конструкций, а полимерные материалы, такие как нейлон, подходят для общих деталей конструкции. Постобработка включает в себя удаление поддержек, полировку поверхности, термообработку и другие процессы.