คู่มือการออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุนด้วยการพิมพ์ 3 มิติ: สถานการณ์การใช้งานสำหรับการระบายอากาศ การกรอง และการมีน้ำหนักเบา

บทนำ: อิสระในการออกแบบและคุณค่าการทำงานของโครงสร้างที่มีรูพรุน

ข้อดีหลักประการหนึ่งของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติคือการทำให้โครงสร้างทางเรขาคณิตที่ซับซ้อนไม่สามารถทำได้ด้วยกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม โครงสร้างที่มีรูพรุนเป็นหนึ่งในการใช้งานที่เป็นตัวแทนได้มากที่สุด โครงสร้างที่มีรูพรุนสามารถลดน้ำหนักได้อย่างมากในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงของโครงสร้างด้วยการเพิ่มรูพรุนสม่ำเสมอหรือไม่สม่ำเสมอในวัสดุแข็ง และในขณะเดียวกันก็ให้ฟังก์ชันพิเศษแก่ชิ้นส่วนต่างๆ เช่น การระบายอากาศ การกรอง การดูดซับพลังงาน และการแลกเปลี่ยนความร้อน ตั้งแต่ขดลวดน้ำหนักเบาในอวกาศ ไปจนถึงการปลูกถ่ายโดยมนุษย์ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ไปจนถึงองค์ประกอบการกรองในอุตสาหกรรมเคมี โครงสร้างที่มีรูพรุนกำลังกำหนดขอบเขตความเป็นไปได้ในการออกแบบชิ้นส่วนใหม่

เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม (เช่น การหล่อและการตัดเฉือน) การพิมพ์ 3 มิติมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการผลิตโครงสร้างที่มีรูพรุน กระบวนการดั้งเดิมในการผลิตโครงสร้างที่มีรูพรุนมักจะอาศัยวิธีการต่างๆ เช่น การทำฟอง การเผาผนึก หรือการกัดด้วยสารเคมี ความพรุน เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน และรูปร่างรูพรุนนั้นควบคุมได้ยาก และความสม่ำเสมอของโครงสร้างไม่ดี การพิมพ์ 3 มิติสามารถควบคุมลักษณะทางเรขาคณิตของรูพรุนได้อย่างแม่นยำผ่านการออกแบบแบบพาราเมตริก ทำให้ได้การออกแบบตั้งแต่เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนระดับไมครอนไปจนถึงระดับมิลลิเมตร และมีความสม่ำเสมอของแบทช์ที่ยอดเยี่ยม บทความนี้จะแนะนำวิธีการออกแบบ การเลือกกระบวนการ ลักษณะเฉพาะด้านประสิทธิภาพ และสถานการณ์การใช้งานของโครงสร้างพรุนที่พิมพ์แบบ 3 มิติอย่างเป็นระบบ เพื่อให้วิศวกรได้รับแนวทางการออกแบบเชิงปฏิบัติ

การจำแนกประเภทและลักษณะทางเรขาคณิตของโครงสร้างที่มีรูพรุน

โครงสร้างที่มีรูพรุนสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทตามการจัดเรียงของรูพรุน: โครงสร้างที่มีรูพรุนปกติและโครงสร้างที่มีรูพรุนแบบสุ่ม โครงสร้างที่มีรูพรุนปกติ (เช่น โครงสร้างรังผึ้งและโครงสร้างขัดแตะ) มีการจัดเรียงหน่วยรูพรุนเป็นระยะ และสามารถออกแบบรูปร่างรูพรุน เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน และความพรุนได้อย่างแม่นยำ โครงสร้างที่มีรูพรุนทั่วไปทั่วไป ได้แก่ ลูกบาศก์ขัดแตะ, ลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางร่างกาย (BCC), ลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ใบหน้า (FCC), ตาข่ายเพชร, ตาข่ายไจโรสโคป ฯลฯ แต่ละโครงสร้างเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะของตัวเอง: ตาข่าย BCC มีไอโซโทรปีที่ดีและเหมาะสำหรับการรับน้ำหนักหลายทิศทาง โครงตาข่ายเพชรมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และเหมาะสำหรับการกรองและการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยา ตะแกรงไจโรสโคปมีอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม และเหมาะสำหรับการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา

โครงสร้างที่มีรูพรุนแบบสุ่มจะจำลองวัสดุที่มีรูพรุนในธรรมชาติ (เช่น กระดูกและฟองน้ำ) การกระจายและการเชื่อมต่อของรูพรุนเป็นแบบสุ่ม แต่สามารถควบคุมลักษณะทางสถิติได้ โครงสร้างที่มีรูพรุนแบบสุ่มมักถูกสร้างขึ้นผ่านอัลกอริธึม เช่น การแบ่งพาร์ติชัน Voronoi เสียง Perlin การบรรจุลูกบอลแบบสุ่ม เป็นต้น ข้อดีของโครงสร้างประเภทนี้คือใกล้กับพฤติกรรมเชิงกลของวัสดุธรรมชาติมากขึ้น และสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาความเข้มข้นของความเครียดในทิศทางเฉพาะของโครงสร้างปกติได้ ในการออกแบบการปลูกถ่ายทางการแพทย์ โครงสร้างรูพรุนแบบสุ่มนั้นอยู่ใกล้กับโครงสร้างจุลภาคของเนื้อเยื่อกระดูกของมนุษย์มากขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการงอกของเซลล์กระดูกและการรวมตัวของกระดูก

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่สำคัญของโครงสร้างที่มีรูพรุน ได้แก่ ความพรุน (ความพรุน) ขนาดรูพรุน (ขนาดรูพรุน) ความหนาของผนังรูพรุน (ความหนาของสตรัท) และพื้นที่ผิวจำเพาะ (พื้นที่ผิวเฉพาะ) ความพรุนหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรรูพรุนต่อปริมาตรทั้งหมด โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 30% ถึง 90% เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนหมายถึงขนาดลักษณะเฉพาะของรูพรุนเดี่ยวตั้งแต่หลายสิบไมครอนไปจนถึงหลายมิลลิเมตร รูความหนาของผนังส่งผลโดยตรงต่อความแข็งแรงของโครงสร้างและความเป็นไปได้ในการผลิต และโดยปกติจะไม่น้อยกว่า 0.3 มม. (กระบวนการ FDM) หรือ 0.2 มม. (กระบวนการ SLA/SLS) พื้นที่ผิวจำเพาะแปรผกผันกับขนาดรูพรุน ยิ่งรูพรุนมีขนาดเล็ก พื้นที่ผิวจำเพาะก็จะยิ่งมากขึ้น ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกิจกรรมพื้นผิวสูง

วิธีการออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุนและเครื่องมือซอฟต์แวร์

การออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุนต้องใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์ระดับมืออาชีพ ซอฟต์แวร์สร้างแบบจำลอง 3 มิติทั่วไป (เช่น SolidWorks, CATIA, NX) สามารถสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนปกติอย่างง่ายผ่านการสร้างแบบจำลองแบบพาราเมตริก แต่สำหรับโครงสร้างตาข่ายที่ซับซ้อนหรือโครงสร้างที่มีรูพรุนแบบสุ่ม โดยปกติแล้วจะต้องใช้ปลั๊กอินหรือซอฟต์แวร์พิเศษ nTopology (ปัจจุบันคือ nTop) เป็นซอฟต์แวร์ออกแบบโครงสร้าง Lattice ที่ทรงพลังที่สุด โดยรองรับการสร้างพาราเมตริกของ Lattice หลายประเภท การออกแบบการไล่ระดับสี การเพิ่มประสิทธิภาพที่ขับเคลื่อนด้วยภาคสนาม และการบูรณาการอย่างราบรื่นกับโครงสร้าง Solid โมดูล Lattice ของ Materialize Magics ยังมีไลบรารี Lattice ที่สมบูรณ์และเครื่องมือสร้างอัตโนมัติอีกด้วย

สำหรับผู้ใช้โอเพ่นซอร์ส Blender รวมกับปลั๊กอิน Lattice2, Workbench Lattice ของ FreeCAD และสคริปต์พิเศษที่ใช้ Python (เช่น การใช้ PyVista, ไลบรารี Trimesh) ล้วนเป็นตัวเลือกที่เป็นไปได้ กระบวนการออกแบบมักประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้ ขั้นแรกให้กำหนดพื้นที่การออกแบบ (Design Space) นั่นคือ พื้นที่ที่ต้องเติมโครงสร้างที่มีรูพรุน จากนั้นเลือกประเภทขัดแตะและพารามิเตอร์พื้นฐาน (เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน ความหนาของผนังรูพรุน ขนาดหน่วย) จากนั้นทำการเติมตาข่ายและตัดแต่งขอบเขต ในที่สุดก็ดำเนินการตรวจสอบการวิเคราะห์โครงสร้าง (FEA) และปรับพารามิเตอร์เฉพาะที่ตามการกระจายความเครียด สำหรับการออกแบบที่มุ่งเน้นฟังก์ชัน การปรับโครงสร้างโทโพโลยีให้เหมาะสมร่วมกับการเติมตาข่ายสามารถใช้เพื่อเพิ่มความหนาของผนังรูหรือลดความพรุนในพื้นที่ที่มีความเข้มข้นของความเค้น

โครงสร้างพรุนแบบไล่ระดับเป็นหัวข้อการออกแบบที่ได้รับความนิยมในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการตั้งค่าความพรุนและขนาดรูพรุนที่แตกต่างกันในพื้นที่ต่างๆ ของชิ้นส่วน จึงสามารถบรรลุการกระจายคุณสมบัติแบบกำหนดเองได้ ตัวอย่างเช่น ในการออกแบบรากฟันเทียม พื้นผิวที่สัมผัสกับเนื้อเยื่อกระดูกจะใช้ความพรุนสูง (70%-80%) เพื่อส่งเสริมการรวมตัวของกระดูก และพื้นที่แกนกลางภายในใช้ความพรุนต่ำ (30%-50%) เพื่อรับรองความแข็งแรงของโครงสร้าง การออกแบบไล่ระดับสีสามารถทำได้โดยการกำหนดสนามความหนาแน่น ตัวแปรภาคสนามอาจเป็นฟังก์ชันของพิกัดเชิงพื้นที่หรือฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางกล (เช่น ความเค้น ความเครียด) ซอฟต์แวร์การออกแบบสมัยใหม่รองรับการออกแบบที่ขับเคลื่อนด้วยภาคสนาม ช่วยลดความยุ่งยากในการสร้างโครงสร้างรูพรุนแบบไล่ระดับได้อย่างมาก

ความสามารถในการปรับตัวของกระบวนการพิมพ์ 3 มิติกับโครงสร้างที่มีรูพรุน

ความสามารถในการผลิตของกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่แตกต่างกันสำหรับโครงสร้างที่มีรูพรุนนั้นแตกต่างกันอย่างมาก การพิมพ์โลหะ 3 มิติ (SLM, EBM) เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตโครงสร้างโลหะที่มีรูพรุน สามารถสร้างโครงสร้างขัดแตะที่ซับซ้อนโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนเล็กเพียง 0.5 มม. และความหนาของผนังรูพรุนต่ำเพียง 0.2 มม. โครงสร้างรูพรุนโลหะผสมไทเทเนียมที่ผลิตโดยกระบวนการ SLM ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการปลูกถ่ายกระดูกและข้อ โมดูลัสยืดหยุ่นสามารถปรับได้ในช่วง 4-20GPa โดยการปรับความพรุนซึ่งใกล้เคียงกับกระดูกเปลือกมนุษย์ (10-30GPa) หลีกเลี่ยงผลการป้องกันความเครียดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากอุณหภูมิการขึ้นรูปสูง กระบวนการ EBM จึงเหมาะสำหรับการผลิตโครงสร้างโลหะผสมไททาเนียมที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ แต่ความหยาบของพื้นผิวมีขนาดใหญ่

ในการพิมพ์ 3 มิติโพลีเมอร์ SLS (การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร) เป็นกระบวนการที่เหมาะสำหรับการผลิตโครงสร้างไนลอนที่มีรูพรุน SLS สามารถสร้างโครงสร้างขัดแตะที่ซับซ้อนได้โดยไม่ต้องมีตัวรองรับ และชิ้นส่วนที่มีรูพรุนเผาผนึกก็มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี กระบวนการ FDM เป็นเรื่องยากในการผลิตโครงสร้างที่มีรูพรุนแบบปิด เนื่องจากความต้องการโครงสร้างรองรับ แต่ก็ยังเป็นไปได้สำหรับโครงสร้างที่มีรูพรุนแบบเปิด (เช่น โครงสร้างแบบรังผึ้ง) กระบวนการบ่มด้วยแสง SLA สามารถสร้างโครงสร้างพรุนขนาดเล็กที่แม่นยำอย่างยิ่ง โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนสูงสุด 0.2 มม. ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำ เช่น ชิปไมโครฟลูอิดิก และโครงวิศวกรรมเนื้อเยื่อ อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วน SLA จำเป็นต้องได้รับการทำความสะอาดและบ่มอย่างทั่วถึง และเรซินที่ตกค้างในรูขุมขนอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน

พารามิเตอร์กระบวนการหลักสำหรับการพิมพ์โครงสร้างที่มีรูพรุน ได้แก่ กำลังเลเซอร์ ความเร็วในการสแกน ความหนาของชั้น และกลยุทธ์การสแกน สำหรับกระบวนการ SLM พลังงานเลเซอร์ที่ต่ำเกินไปจะทำให้ผนังรูหลอมละลายไม่เพียงพอและมีความแข็งแรงไม่เพียงพอ กำลังสูงเกินไปอาจทำให้ผนังรูยุบและรูรับแสงหดตัว วิธีการสแกนมีผลกระทบอย่างมากต่อแอนไอโซโทรปีของโครงสร้างที่มีรูพรุน และกลยุทธ์การสแกนแบบหมุนสามารถลดแอนไอโซโทรปีได้ การเลือกความหนาของชั้นต้องอาศัยความสมดุลระหว่างความแม่นยำและประสิทธิภาพ โดยปกติแล้วความหนาของชั้น 0.03-0.05 มม. เหมาะสำหรับโครงสร้างที่มีรูพรุนที่มีความแม่นยำ ทิศทางการพิมพ์จะส่งผลต่อประสิทธิภาพที่แท้จริงของโครงสร้างที่มีรูพรุนด้วย ขอแนะนำให้ทำการทดสอบการตรวจสอบกระบวนการเพื่อกำหนดทิศทางการพิมพ์ที่ดีที่สุด

การแสดงลักษณะเฉพาะด้านสมรรถนะและวิธีการทดสอบของโครงสร้างที่มีรูพรุน

การระบุคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของโครงสร้างที่มีรูพรุนประกอบด้วย 3 ด้าน ได้แก่ การแสดงคุณลักษณะทางเรขาคณิต การทดสอบคุณสมบัติทางกล และการทดสอบฟังก์ชัน การแสดงคุณลักษณะทางเรขาคณิตส่วนใหญ่ทำได้โดยการสแกนด้วย micro-CT (Micro-CT) ซึ่งสามารถรับลักษณะทางสัณฐานวิทยาสามมิติของรูพรุนภายในของโครงสร้างที่มีรูพรุน วัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความพรุนจริง การกระจายขนาดรูพรุน และความหนาของผนังรูพรุน และเปรียบเทียบกับค่าการออกแบบ Micro-CT ยังสามารถตรวจจับข้อบกพร่องในการผลิต เช่น ผนังรูที่หายไป การขาดฟิวชัน การทำให้เป็นทรงกลม ฯลฯ ซึ่งเป็นพื้นฐานโดยตรงสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

การทดสอบคุณสมบัติทางกลจำเป็นต้องเลือกวิธีการทดสอบที่เหมาะสมตามสถานการณ์การใช้งาน สำหรับโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา การทดสอบแรงอัดเป็นการทดสอบขั้นพื้นฐานที่สุด ซึ่งสามารถรับพารามิเตอร์ที่สำคัญ เช่น โมดูลัสยืดหยุ่นของแท่น ความเค้นของแท่น และความเครียดของความหนาแน่น การทดสอบแรงดึงมีความสำคัญไม่แพ้กันสำหรับโครงสร้างที่มีรูพรุนซึ่งต้องรับแรงดึง สำหรับการใช้งานรากฟันเทียม จำเป็นต้องมีการทดสอบความล้าด้วย เนื่องจากรากฟันเทียมจำเป็นต้องทนทานต่อโหลดหลายล้านรอบภายในร่างกายมนุษย์ สมบัติทางกลของโครงสร้างที่มีรูพรุนมักจะแสดงให้เห็นแอนไอโซโทรปีที่มีนัยสำคัญ ดังนั้นการทดสอบในหลายทิศทางจึงจำเป็นเพื่อสร้างฐานข้อมูลคุณสมบัติทางกลที่สมบูรณ์

การทดสอบฟังก์ชันได้รับการออกแบบมาสำหรับสถานการณ์การใช้งานเฉพาะ การทดสอบการซึมผ่านของอากาศใช้เพื่อประเมินโครงสร้างที่มีรูพรุนสำหรับการกรองและการระบายอากาศ การทดสอบประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนใช้เพื่อประเมินการใช้งานเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การทดสอบความเข้ากันได้ของเซลล์ใช้เพื่อประเมินการปลูกถ่ายทางการแพทย์ และการทดสอบประสิทธิภาพการดูดซับพลังงานใช้เพื่อประเมินการใช้งานกันกระแทกและการป้องกัน การทดสอบเหล่านี้มักต้องใช้ฟิกซ์เจอร์เฉพาะทางและการตั้งค่าการทดสอบแบบกำหนดเอง ผลการทดสอบควรรวมกับการวิเคราะห์แบบจำลองเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองการออกแบบ และให้คำแนะนำสำหรับการออกแบบซ้ำในภายหลังแนะนำ.

สถานการณ์การใช้งานทั่วไปและกรณีการออกแบบ

สาขาการบินและอวกาศเป็นหนึ่งในสาขาที่เติบโตเต็มที่ที่สุดสำหรับการใช้งานโครงสร้างที่มีรูพรุน ขายึดที่นั่งบนเครื่องบิน ขายึดเครื่องยนต์ ชิ้นส่วนโครงสร้างดาวเทียม ฯลฯ ได้รับการออกแบบด้วยโครงสร้างที่มีรูพรุนของโลหะผสมไททาเนียมหรืออลูมิเนียมอัลลอยด์ ซึ่งสามารถลดน้ำหนักได้ 30%-60% ในขณะที่ยังคงความแข็งแรงของโครงสร้าง ซึ่งช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงหรือเพิ่มน้ำหนักบรรทุกได้อย่างมาก Boeing ใช้โครงสร้างที่มีรูพรุนจากการพิมพ์ 3 มิติเพื่อผลิตชิ้นส่วนเครื่องบินโดยสาร 787 ชิ้น ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของชิ้นส่วนเดียวได้มากกว่า 40% ประเด็นสำคัญของการออกแบบคือการใช้การปรับโทโพโลยีให้เหมาะสมเพื่อกำหนดเส้นทางการไหลของแรง ใช้โครงสร้างที่มีความพรุนต่ำหรือแข็งในพื้นที่ที่มีการไหลของแรงอย่างเข้มข้น และใช้โครงตาข่ายที่มีรูพรุนสูงอุดในพื้นที่ทุติยภูมิ

การปลูกถ่ายทางการแพทย์เป็นการใช้โครงสร้างที่มีรูพรุนซึ่งมีคุณค่าต่อสังคมมากที่สุด ด้วยการควบคุมความพรุนและขนาดรูพรุนอย่างแม่นยำ โครงสร้างรากเทียมที่มีรูพรุนของโลหะผสมไททาเนียมสามารถส่งเสริมเซลล์กระดูกให้เติบโตในรูขุมขน สร้างการรวมตัวของกระดูก และปรับปรุงเสถียรภาพในระยะยาวของรากฟันเทียมได้อย่างมาก การปลูกถ่ายเช่นข้อสะโพก ข้อเข่า และกรงฟิวชั่นระหว่างกระดูกสันหลัง ได้รับการอนุมัติจาก FDA และมีจำหน่ายในท้องตลาด ประเด็นสำคัญของการออกแบบคือชั้นพื้นผิวใช้รูพรุนขนาดใหญ่ (500-800μm) และความพรุนสูง (70%-80%) และแกนภายในใช้รูพรุนขนาดเล็กและความพรุนต่ำเพื่อให้ได้การออกแบบไล่ระดับที่ใช้งานได้จริง นอกจากนี้ โครงสร้างที่มีรูพรุนยังสามารถใช้เป็นโครงวิศวกรรมเนื้อเยื่อเพื่อสร้างเทมเพลตสามมิติสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์

ในสาขาเคมีและพลังงาน โครงสร้างที่มีรูพรุนถูกนำมาใช้เพื่อผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวพาตัวเร่งปฏิกิริยา และองค์ประกอบตัวกรอง เนื่องจากพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และช่องของเหลวที่ซับซ้อน ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีรูพรุนที่ผลิตโดยการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะจึงสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดิมถึง 50% ตัวพาตัวเร่งปฏิกิริยาใช้การออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุน ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมาก องค์ประกอบตัวกรองใช้โครงสร้างที่มีรูพรุนแบบไล่ระดับ ชั้นผิวใช้รูพรุนขนาดเล็กเพื่อกรองสิ่งสกปรก และชั้นในใช้รูพรุนขนาดใหญ่เพื่อลดความต้านทานการไหล จุดเน้นในการออกแบบของการใช้งานเหล่านี้คือการสร้างสมดุลระหว่างความต้านทานของไหล ความแม่นยำในการกรอง และความแข็งแรงของโครงสร้าง ซึ่งมักต้องมีการปรับให้เหมาะสมด้วยความช่วยเหลือของการจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD)

บทสรุปและแนวโน้มในอนาคต

การออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุนเป็นการแสดงให้เห็นที่สำคัญของอิสระในการออกแบบที่เผยแพร่โดยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ด้วยการออกแบบลักษณะทางเรขาคณิตและการกระจายตัวของรูพรุนอย่างมีเหตุผล ทำให้สามารถบรรลุเป้าหมายหลายประการของการมีน้ำหนักเบา การทำงาน และการปรับแต่งประสิทธิภาพได้ในส่วนเดียว ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของซอฟต์แวร์การออกแบบ เครื่องมือจำลอง และกระบวนการพิมพ์ ขอบเขตการใช้งานของโครงสร้างที่มีรูพรุนจะขยายต่อไป โดยเจาะจากสาขาการผลิตระดับไฮเอนด์ไปจนถึงสินค้าอุปโภคบริโภค สถาปัตยกรรม แฟชั่น และสาขาอื่น ๆ

ในอนาคต การออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุนจะพัฒนาไปในทิศทางของสติปัญญา หลายขนาด และหลายฟังก์ชัน การพิมพ์ 4 มิติ (การผสมผสานระหว่างวัสดุอัจฉริยะและโครงสร้างที่มีรูพรุน) จะช่วยให้โครงสร้างที่มีรูพรุนมีความสามารถในการปรับตัวได้ โครงสร้างรูพรุนหลายขนาด (การออกแบบรูพรุนหลายขนาดตั้งแต่นาโนเมตรไปจนถึงขนาดมหภาค) จะช่วยให้สามารถบูรณาการการทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้น โครงสร้างที่มีรูพรุนแบบไบโอนิค (เลียนแบบวัสดุธรรมชาติ เช่น กระดูก ไม้ ฟองน้ำ ฯลฯ) จะให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าการออกแบบแบบดั้งเดิม สำหรับวิศวกรออกแบบ การฝึกฝนวิธีการออกแบบโครงสร้างที่มีรูพรุนให้เชี่ยวชาญจะกลายเป็นหนึ่งในความสามารถในการแข่งขันหลักในยุคการพิมพ์ 3 มิติ