Hướng dẫn thiết kế cấu trúc xốp in 3D: Các kịch bản ứng dụng về khả năng thoáng khí, lọc và nhẹ

Giới thiệu: Tự do thiết kế và giá trị chức năng của các cấu trúc xốp

Một trong những lợi thế cốt lõi của công nghệ in 3D là hiện thực hóa các cấu trúc hình học phức tạp mà các quy trình sản xuất truyền thống không thể đạt được. Cấu trúc xốp là một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất. Bằng cách đưa các lỗ rỗng đều đặn hoặc không đều vào vật liệu rắn, các cấu trúc xốp có thể giảm đáng kể trọng lượng trong khi vẫn duy trì độ bền kết cấu, đồng thời cung cấp cho các bộ phận các chức năng đặc biệt như thông gió, lọc, hấp thụ năng lượng và trao đổi nhiệt. Từ các stent nhẹ trong ngành hàng không vũ trụ đến cấy ghép cơ thể con người trong các thiết bị y tế cho đến các bộ phận lọc trong ngành hóa chất, các cấu trúc xốp đang xác định lại ranh giới khả năng trong thiết kế bộ phận.

So với các quy trình sản xuất truyền thống (như đúc và gia công), in 3D có lợi thế đáng kể trong việc sản xuất các cấu trúc xốp. Các quy trình truyền thống để sản xuất cấu trúc xốp thường dựa vào các phương pháp như tạo bọt, thiêu kết hoặc khắc hóa học. Độ xốp, đường kính lỗ rỗng và hình dạng lỗ rỗng khó kiểm soát chính xác và độ đồng nhất về cấu trúc kém. In 3D có thể kiểm soát chính xác các đặc điểm hình học của lỗ chân lông thông qua thiết kế tham số, đạt được bất kỳ thiết kế nào từ cấp độ micron đến đường kính lỗ chân lông ở cấp độ milimet và có tính nhất quán tuyệt vời theo lô. Bài viết này sẽ giới thiệu một cách có hệ thống phương pháp thiết kế, lựa chọn quy trình, đặc tính hiệu suất và các kịch bản ứng dụng của cấu trúc xốp in 3D, cung cấp cho các kỹ sư những hướng dẫn thiết kế thực tế.

Phân loại và đặc điểm hình học của cấu trúc xốp

Dựa vào sự sắp xếp của các lỗ, cấu trúc xốp có thể được chia thành hai loại: cấu trúc xốp thông thường và cấu trúc xốp ngẫu nhiên. Các cấu trúc xốp thông thường (chẳng hạn như cấu trúc tổ ong và cấu trúc mạng tinh thể) có các đơn vị lỗ rỗng được sắp xếp định kỳ và hình dạng lỗ rỗng, đường kính lỗ rỗng và độ xốp có thể được thiết kế chính xác. Các cấu trúc xốp đều, thông thường bao gồm mạng lập phương, lập phương tâm khối (BCC), lập phương tâm mặt (FCC), mạng kim cương, mạng con quay hồi chuyển, v.v. Mỗi cấu trúc này đều có những đặc điểm riêng: mạng BCC có tính đẳng hướng tốt, thích hợp chịu tải trọng đa hướng; mạng kim cương có diện tích bề mặt riêng lớn và thích hợp cho các ứng dụng lọc và xúc tác; mạng con quay hồi chuyển có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng tuyệt vời và phù hợp với thiết kế nhẹ.

Cấu trúc xốp ngẫu nhiên mô phỏng các vật liệu xốp trong tự nhiên (chẳng hạn như xương và bọt biển). Sự phân bố và kết nối lỗ chân lông là ngẫu nhiên, nhưng các đặc tính thống kê có thể kiểm soát được. Các cấu trúc xốp ngẫu nhiên thường được tạo ra thông qua các thuật toán, chẳng hạn như phân vùng Voronoi, nhiễu Perlin, đóng gói bóng ngẫu nhiên, v.v. Ưu điểm của loại cấu trúc này là gần với hành vi cơ học của vật liệu tự nhiên và có thể tránh được vấn đề tập trung ứng suất theo các hướng cụ thể của cấu trúc thông thường. Trong thiết kế cấy ghép y tế, cấu trúc xốp ngẫu nhiên gần với cấu trúc vi mô của mô xương người, có lợi cho sự phát triển và tích hợp tế bào xương.

Các thông số hình học chính của cấu trúc xốp bao gồm độ xốp (Porosity), kích thước lỗ rỗng (Pore Size), độ dày thành lỗ rỗng (Strut Thick) và diện tích bề mặt riêng (Specific Surface Area). Độ xốp được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm của thể tích lỗ rỗng trên tổng thể tích, thường từ 30% đến 90%. Đường kính lỗ rỗng đề cập đến kích thước đặc trưng của một lỗ chân lông, từ hàng chục micron đến vài mm. hốĐộ dày của tường ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ kết cấu và tính khả thi của việc sản xuất và thường không nhỏ hơn 0,3 mm (quy trình FDM) hoặc 0,2 mm (quy trình SLA/SLS). Diện tích bề mặt riêng tỷ lệ nghịch với kích thước lỗ rỗng. Kích thước lỗ càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng càng lớn, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hoạt động bề mặt cao.

Phương pháp thiết kế kết cấu xốp và các công cụ phần mềm

Việc thiết kế kết cấu xốp cần có các công cụ phần mềm chuyên nghiệp. Phần mềm mô hình 3D chính thống (như SolidWorks, CATIA, NX) có thể tạo các cấu trúc xốp thông thường đơn giản thông qua mô hình tham số, nhưng đối với các cấu trúc mạng tinh thể phức tạp hoặc cấu trúc xốp ngẫu nhiên, thường cần có các phần mềm hoặc phần mềm đặc biệt. nTopology (nay là nTop) hiện là phần mềm thiết kế cấu trúc mạng mạnh mẽ nhất, hỗ trợ tạo tham số của nhiều loại mạng, thiết kế độ dốc, tối ưu hóa theo hướng trường và tích hợp liền mạch với các cấu trúc vững chắc. Mô-đun mạng của Materialize Magics cũng cung cấp một thư viện mạng phong phú và các công cụ tạo tự động.

Đối với người dùng nguồn mở, Blender kết hợp với plug-in Lattice2, bàn làm việc dạng lưới của FreeCAD và các tập lệnh đặc biệt dựa trên Python (chẳng hạn như sử dụng thư viện PyVista, Trimesh) đều là những lựa chọn khả thi. Quá trình thiết kế thường bao gồm các bước sau: đầu tiên xác định không gian thiết kế (Design Space), tức là khu vực mà kết cấu xốp cần được lấp đầy; sau đó chọn loại mạng và các thông số cơ bản (đường kính lỗ rỗng, độ dày thành lỗ rỗng, kích thước đơn vị); sau đó thực hiện điền lưới và cắt ranh giới; cuối cùng tiến hành xác minh phân tích cấu trúc (FEA) và điều chỉnh các thông số cục bộ theo sự phân bố ứng suất. Đối với thiết kế hướng chức năng, tối ưu hóa cấu trúc liên kết kết hợp với việc lấp đầy lưới cũng có thể được sử dụng để tăng độ dày thành lỗ hoặc giảm độ xốp ở các khu vực tập trung ứng suất.

Cấu trúc xốp có độ dốc là một chủ đề thiết kế nóng trong những năm gần đây. Bằng cách thiết lập độ xốp và kích thước lỗ khác nhau ở các khu vực khác nhau của bộ phận, có thể đạt được sự phân bổ các đặc tính tùy chỉnh. Ví dụ, trong thiết kế cấy ghép, bề mặt tiếp xúc với mô xương sử dụng độ xốp cao (70%-80%) để thúc đẩy quá trình tích hợp xương và vùng lõi bên trong sử dụng độ xốp thấp (30%-50%) để đảm bảo độ bền cấu trúc. Thiết kế gradient có thể đạt được bằng cách xác định trường mật độ. Các biến trường có thể là hàm tọa độ không gian hoặc hàm liên quan đến tính chất cơ học (như ứng suất, biến dạng). Phần mềm thiết kế hiện đại hỗ trợ thiết kế theo hướng hiện trường, đơn giản hóa đáng kể việc tạo ra các cấu trúc xốp có độ dốc.

Khả năng thích ứng của quy trình in 3D với cấu trúc xốp

Khả năng sản xuất của các quy trình in 3D khác nhau dành cho cấu trúc xốp khác nhau đáng kể. In 3D kim loại (SLM, EBM) là lựa chọn tốt nhất để sản xuất các cấu trúc xốp kim loại. Nó có thể tạo ra các cấu trúc mạng tinh thể phức tạp với đường kính lỗ rỗng nhỏ tới 0,5 mm và độ dày thành lỗ rỗng thấp tới 0,2 mm. Cấu trúc xốp hợp kim titan được sản xuất theo quy trình SLM đã được sử dụng rộng rãi trong cấy ghép chỉnh hình. Mô đun đàn hồi của nó có thể được điều chỉnh trong phạm vi 4-20GPa bằng cách điều chỉnh độ xốp, gần với xương vỏ của con người (10-30GPa), tránh được hiệu ứng che chắn căng thẳng một cách hiệu quả. Do nhiệt độ đúc cao nên quy trình EBM phù hợp để chế tạo các cấu trúc hợp kim titan xốp có kích thước lớn, nhưng độ nhám bề mặt lớn.

Trong in 3D polyme, SLS (thiêu kết laser có chọn lọc) là một quy trình lý tưởng để sản xuất các cấu trúc xốp nylon. SLS có thể tạo ra các cấu trúc mạng phức tạp mà không cần hỗ trợ và các bộ phận xốp thiêu kết có tính chất cơ học tốt. Quá trình FDM khó chế tạo các cấu trúc xốp kín do cần có các cấu trúc hỗ trợ, nhưng vẫn khả thi đối với các cấu trúc lỗ rỗng mở (chẳng hạn như cấu trúc tổ ong). Quy trình xử lý bằng ánh sáng SLA có thể tạo ra các cấu trúc vi xốp cực kỳ chính xác với đường kính lỗ lên tới 0,2mm, phù hợp cho các ứng dụng chính xác như chip vi lỏng và giàn giáo kỹ thuật mô. Tuy nhiên, các bộ phận SLA cần được làm sạch và xử lý kỹ lưỡng, cặn nhựa bên trong lỗ chân lông có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.

Các thông số quy trình chính để in cấu trúc xốp bao gồm công suất laser, tốc độ quét, độ dày lớp và chiến lược quét. Đối với quy trình SLM, công suất laser quá thấp sẽ khiến thành lỗ không đủ nóng chảy và không đủ cường độ; công suất quá cao có thể khiến thành lỗ bị sập và khẩu độ bị co lại. Chiến lược quét có tác động đáng kể đến tính dị hướng của cấu trúc xốp và chiến lược quét quay có thể làm giảm tính dị hướng. Việc lựa chọn độ dày lớp đòi hỏi sự cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả. Thông thường độ dày lớp 0,03-0,05mm phù hợp với các cấu trúc xốp chính xác. Hướng in cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của cấu trúc xốp. Nên tiến hành kiểm tra xác minh quy trình để xác định hướng in tốt nhất.

Đặc tính hiệu suất và phương pháp thử nghiệm của cấu trúc xốp

Đặc tính hiệu suất của cấu trúc xốp bao gồm ba khía cạnh: đặc tính hình học, thử nghiệm tính chất cơ học và thử nghiệm chức năng. Đặc tính hình học chủ yếu đạt được thông qua quét micro-CT (Micro-CT), có thể thu được hình thái ba chiều của lỗ bên trong của cấu trúc xốp, đo các thông số như độ xốp thực tế, phân bố kích thước lỗ chân lông và độ dày thành lỗ chân lông và so sánh chúng với các giá trị thiết kế. Micro-CT cũng có thể phát hiện các lỗi sản xuất, chẳng hạn như thiếu thành lỗ, thiếu sự hợp nhất, hình cầu, v.v., cung cấp cơ sở trực tiếp cho việc tối ưu hóa quy trình.

Thử nghiệm đặc tính cơ học yêu cầu lựa chọn các phương pháp thử nghiệm phù hợp dựa trên kịch bản ứng dụng. Đối với các kết cấu nhẹ, thử nghiệm nén là thử nghiệm cơ bản nhất, có thể thu được các thông số chính như mô đun đàn hồi của nền, ứng suất của nền và biến dạng nén. Kiểm tra độ bền kéo cũng quan trọng không kém đối với các kết cấu xốp chịu tải trọng kéo. Đối với các ứng dụng cấy ghép, việc kiểm tra độ mỏi cũng được yêu cầu vì bộ cấy cần chịu được hàng triệu tải trọng theo chu kỳ bên trong cơ thể con người. Các tính chất cơ học của cấu trúc xốp thường thể hiện tính dị hướng đáng kể, do đó cần phải thử nghiệm theo nhiều hướng để thiết lập cơ sở dữ liệu đặc tính cơ học hoàn chỉnh.

Kiểm thử chức năng được thiết kế cho các tình huống ứng dụng cụ thể. Kiểm tra độ thoáng khí được sử dụng để đánh giá cấu trúc xốp cho các ứng dụng lọc và thông gió; thử nghiệm hiệu suất truyền nhiệt được sử dụng để đánh giá các ứng dụng trao đổi nhiệt; xét nghiệm khả năng tương thích tế bào được sử dụng để đánh giá các thiết bị cấy ghép y tế; và thử nghiệm hiệu suất hấp thụ năng lượng được sử dụng để đánh giá các ứng dụng đệm và bảo vệ. Những thử nghiệm này thường yêu cầu các thiết bị thử nghiệm và đồ đạc chuyên dụng được tùy chỉnh. Kết quả thử nghiệm cần được kết hợp với phân tích mô phỏng để xác minh tính chính xác của mô hình thiết kế và cung cấp hướng dẫn cho các lần lặp lại thiết kế tiếp theo.hướng dẫn.

Các kịch bản ứng dụng điển hình và các trường hợp thiết kế

Lĩnh vực hàng không vũ trụ là một trong những lĩnh vực trưởng thành nhất để ứng dụng các cấu trúc xốp. Giá đỡ ghế máy bay, giá đỡ động cơ, bộ phận kết cấu vệ tinh, v.v. được thiết kế bằng cấu trúc xốp bằng hợp kim titan hoặc hợp kim nhôm, có thể giảm trọng lượng từ 30% -60% mà vẫn duy trì độ bền kết cấu, giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu hoặc tăng tải trọng. Boeing sử dụng cấu trúc xốp in 3D để sản xuất 787 bộ phận máy bay chở khách, giúp giảm hơn 40% trọng lượng của một bộ phận. Điểm chính của thiết kế là sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết để xác định đường truyền lực, sử dụng cấu trúc rắn hoặc độ xốp thấp ở những khu vực có dòng lực mạnh và sử dụng lưới có độ xốp cao lấp đầy ở những khu vực thứ cấp.

Cấy ghép y tế là ứng dụng có giá trị xã hội nhất của cấu trúc xốp. Bằng cách kiểm soát chính xác độ xốp và kích thước lỗ chân lông, cấy ghép cấu trúc xốp bằng hợp kim titan có thể thúc đẩy các tế bào xương phát triển vào lỗ chân lông, hình thành quá trình tích hợp xương và cải thiện đáng kể độ ổn định lâu dài của mô cấy. Các bộ phận cấy ghép như khớp hông, khớp gối và lồng hợp nhất giữa các đốt sống đã được FDA chấp thuận và được bán trên thị trường. Điểm mấu chốt của thiết kế là lớp bề mặt sử dụng các lỗ chân lông lớn (500-800μm) và độ xốp cao (70% -80%), còn lõi bên trong sử dụng các lỗ chân lông nhỏ và độ xốp thấp để đạt được thiết kế độ dốc chức năng. Ngoài ra, các cấu trúc xốp cũng có thể được sử dụng làm giàn giáo kỹ thuật mô để cung cấp các mẫu ba chiều cho sự phát triển của tế bào.

Trong lĩnh vực hóa học và năng lượng, cấu trúc xốp được sử dụng để sản xuất các bộ trao đổi nhiệt, chất mang xúc tác và bộ phận lọc hiệu suất cao. Do diện tích bề mặt riêng lớn và các kênh chất lỏng phức tạp, hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt xốp được sản xuất bằng in 3D kim loại cao hơn 50% so với bộ trao đổi nhiệt truyền thống. Chất mang xúc tác sử dụng thiết kế cấu trúc xốp, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phản ứng xúc tác. Phần tử lọc sử dụng cấu trúc xốp có độ dốc. Lớp bề mặt sử dụng các lỗ nhỏ để lọc tạp chất, lớp bên trong sử dụng các lỗ lớn để giảm lực cản dòng chảy. Trọng tâm thiết kế của các ứng dụng này là cân bằng sức cản của chất lỏng, độ chính xác của quá trình lọc và độ bền kết cấu, thường yêu cầu tối ưu hóa với sự trợ giúp của mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) tính toán.

Kết luận và triển vọng trong tương lai

Thiết kế cấu trúc xốp là một biểu hiện quan trọng của quyền tự do thiết kế được tạo ra bởi công nghệ in 3D. Bằng cách thiết kế hợp lý các đặc điểm hình học và phân bố không gian của các lỗ chân lông, có thể đạt được nhiều mục tiêu về trọng lượng nhẹ, tùy chỉnh chức năng và hiệu suất trong một bộ phận duy nhất. Với sự tiến bộ không ngừng của phần mềm thiết kế, công cụ mô phỏng và quy trình in, phạm vi ứng dụng của cấu trúc xốp sẽ tiếp tục mở rộng, thâm nhập từ các lĩnh vực sản xuất cao cấp đến sản phẩm tiêu dùng, kiến ​​trúc, thời trang và các lĩnh vực khác.

Trong tương lai, thiết kế kết cấu xốp sẽ phát triển theo hướng thông minh, đa quy mô, đa chức năng. In 4D (sự kết hợp giữa vật liệu thông minh và cấu trúc xốp) sẽ cho phép các cấu trúc xốp có khả năng thích ứng; cấu trúc xốp đa quy mô (thiết kế lỗ chân lông ở nhiều quy mô từ nanomet đến vĩ mô) sẽ cho phép tích hợp chức năng phức tạp hơn; Các cấu trúc xốp sinh học (bắt chước các vật liệu tự nhiên như xương, gỗ, bọt biển, v.v.) sẽ mang lại hiệu quả vượt xa các thiết kế truyền thống. Đối với các kỹ sư thiết kế, việc nắm vững các phương pháp thiết kế cấu trúc xốp sẽ trở thành một trong những năng lực cạnh tranh cốt lõi trong kỷ nguyên in 3D.