Phương pháp thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết mạng trong sản xuất bồi đắp

Ưu điểm độc đáo của cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng là cấu trúc xốp bao gồm các đơn vị thanh hoặc đơn vị bề mặt được sắp xếp đều đặn và được sử dụng rộng rãi trong tự nhiên và công nghệ kỹ thuật. So với các cấu trúc rắn truyền thống, cấu trúc mạng có những ưu điểm riêng như cường độ riêng cao, độ cứng riêng cao, khả năng hấp thụ năng lượng mạnh và hiệu suất trao đổi nhiệt cao. Sự trưởng thành của công nghệ in 3D giúp có thể chế tạo các cấu trúc mạng tinh thể phức tạp, mở ra không gian mới cho thiết kế gọn nhẹ. Nhu cầu nhẹ trong lĩnh vực hàng không vũ trụ thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của nghiên cứu và ứng dụng cấu trúc mạng. Trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu tải, có thể giảm 20% -50% trọng lượng bằng cách thay thế vật liệu rắn bằng vật liệu lấp đầy lưới trong khi vẫn duy trì các tính chất cơ học của kết cấu.

Nguyên lý thuật toán tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết là phương pháp tối ưu hóa toán học tự động tìm ra sơ đồ phân phối vật liệu tối ưu trong miền thiết kế nhất định, điều kiện tải trọng và các ràng buộc. Các thuật toán tối ưu hóa cấu trúc liên kết thường được sử dụng bao gồm phương pháp mật độ, phương pháp tập mức, phương pháp tối ưu hóa cấu trúc tiến hóa, v.v. Phương pháp mật độ chia miền thiết kế thành các đơn vị hữu hạn, gán các biến mật độ cho từng đơn vị và điều chỉnh phân bố mật độ thông qua thuật toán tối ưu hóa. Vật liệu được giữ lại ở những khu vực có mật độ gần bằng 1 và vật liệu được loại bỏ ở những khu vực có mật độ gần bằng 0. Phương pháp thiết lập mức theo dõi những thay đổi về ranh giới cấu trúc thông qua phương trình chuyển động giao diện để đạt được sự tối ưu hóa đồng thời về hình dạng và cấu trúc liên kết. Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc tiến hóa xác định liệu vật liệu có nên được giữ lại dựa trên mật độ năng lượng ứng suất hoặc biến dạng hay không và loại bỏ dần các vật liệu kém hiệu quả. Các thuật toán này có thể được kết hợp với thiết kế cấu trúc mạng để đạt được thiết kế hiệu quả và nhẹ.

Các loại mạng và chiến lược lựa chọn

Cấu trúc mạng có thể được chia thành ba loại theo hình dạng đơn vị: mạng chùm, mạng tấm và mạng vỏ. Lưới chùm bao gồm các đơn vị thanh, có cấu trúc đơn giản và thiết kế linh hoạt. Các loại phổ biến bao gồm lưới Kelvin, lưới kim cương, giàn tám vị trí, v.v. Lưới tấm bao gồm các phần tử khu vực, mạnh hơn và cứng hơn nhưng cũng phức tạp hơn trong thiết kế. Lưới vỏ bao gồm các phần tử vỏ cong và có đặc tính chịu tải và khả năng hấp thụ năng lượng tuyệt vời. Việc chọn loại lưới đòi hỏi phải xem xét toàn diện các yêu cầu chịu tải, quy trình sản xuất và các yếu tố chi phí. Lưới chùm phù hợp với hầu hết các quy trình in 3D, lưới tấm yêu cầu độ chính xác chế tạo cao hơn và lưới vỏ yêu cầu cấu trúc hỗ trợ để hỗ trợ sản xuất. Kích thước đơn vị lưới thường nằm trong khoảng 2-10mm, được xác định dựa trên kích thước bộ phận và yêu cầu chịu tải.

Phân tích và xác minh hiệu suất

Việc phân tích hiệu suất của cấu trúc mạng được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp đồng nhất hóa mạng tinh thể tương đương với vật liệu trung bình liên tục, tính toán mô đun đàn hồi và cường độ tương đương, phù hợp cho phân tích cấu trúc vĩ mô. Phương pháp mô hình trực tiếp thiết lập mô hình phần tử hữu hạn chi tiết của mạng, có thể phân tích chính xác các chế độ phân bố ứng suất và hư hỏng cục bộ. Kiểm chứng thực nghiệm là bước cần thiết để đảm bảo độ tin cậy của thiết kế. Các thử nghiệm kéo, nén và uốn trên mẫu tiêu chuẩn thu được dữ liệu đặc tính cơ học của vật liệu dạng lưới. Kiểm tra hiệu suất mỏi đánh giá độ bền của cấu trúc mạng. Kiểm tra tác động xác minh khả năng hấp thụ năng lượng. So sánh dữ liệu và phân tích sự khác biệt giữa dự đoán mô phỏng và kết quả đo thực tế, đồng thời sửa mô hình vật liệu và các thông số thiết kế.

Quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng

Việc sản xuất các cấu trúc dạng lưới bằng in 3D có yêu cầu cao về các thông số quy trình. Công suất laser và tốc độ quét cần được kiểm soát chính xác để đảm bảo độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt của bộ phận thanh hoặc bộ phận bề mặt. Thiết kế cấu trúc hỗ trợ là một liên kết quan trọng. Cấu trúc mạng tinh thể phức tạp có thể yêu cầu hỗ trợ bên trong, nhưng việc loại bỏ hỗ trợ rất khó khăn và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Góc tự hỗ trợ cần được xem xét trong quá trình thiết kế để giảm hoặc tránh nhu cầu hỗ trợ bên trong. Kiểm soát biến dạng nhiệt là rất quan trọng. Cấu trúc dạng lưới có diện tích bề mặt lớn và tản nhiệt nhanh nhưng cũng dễ bị cong vênh do chênh lệch nhiệt độ. Lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất mạng. Các vật liệu kim loại như hợp kim titan và hợp kim nhôm phù hợp cho các kết cấu chịu lực, trong khi các vật liệu polymer như nylon phù hợp cho các bộ phận kết cấu chung. Xử lý sau bao gồm loại bỏ hỗ trợ, đánh bóng bề mặt, xử lý nhiệt và các quy trình khác.