3D 打印在材料（liào）設計（jì）領域的應用前景（jǐng）
點擊量：341 發布時間：2017-02-14 作者：草莓视频ios（上海）增材製（zhì）造技術有限公司
一直以（yǐ）來，在 COMSOL 博客及（jí）科技（jì）界中 3D 打印（增（zēng）材製（zhì）造）都是一個熱門話題。科技創新進（jìn）一步推動了該項技術的發展，拓展了它在不同（tóng）領域中的研究、製造及（jí）設（shè）計應（yīng）用。借助（zhù） COMSOL Multiphysics 的強大功能，荷蘭應（yīng）用科學研究（jiū）部（TNO）的科技人員正在研（yán）究 3D 打印在材料設計領域的（de）應用前景。
更加靈活和自由的 3D 打（dǎ）印
自問世以來，3D 打印技術的影響（xiǎng）已（yǐ）經滲透到了各行各業，比如汽（qì）車製造商。3D 打印使汽車設計變得更自由，它（tā）支持對零件進行高（gāo）度定製，同時還（hái）能節省生產時間（jiān）及成本。這項技（jì）術還促進了醫藥行業的創新，支持對植入物及器件進行定製設計，並能（néng）製作出器官的精（jīng）確（què）複本。
3D 打印機正在打印一個產品零件。
正如我們看到的，增材製造已經成為（wéi）一項高效的（de）產品（pǐn）開發手段。隨著技術的進步，更（gèng）加自由和靈活（huó）的設計不斷湧現，進一步拓寬了該技術（shù）的（de）應用範圍；材料設計正是其中一（yī）個極具潛力的應用領域。
材料設計特別（bié）適用於裁剪具有（yǒu）重複樣式的精細結構，為產品設計出（chū）最優的性能。根據要求，從簡單（dān）的單片幾何到複雜（zá）的多（duō）材料幾何，均可采用單（dān）個微結構（或稱晶胞）的設計。從理論（lùn）上講，晶胞設計的複（fù）雜度也就是設計的自由（yóu）度，僅僅受限於設計人員的創造性和製造能力。
一直以來，3D 打印僅（jǐn）支持打印單材料產品，不（bú）過，該技術的最新發展使得小型結構的多材料打印成為可能。該技（jì）術使設計人員能夠更精（jīng）細地（dì）控製微（wēi）結構（gòu），並能根據（jù）具體要求（qiú）對（duì）微結構進行組合和定製。此外，工程師還能（néng）選擇結構（gòu）中所用某種材料的比（bǐ）例和排（pái）列。
TNO 的研究人員正結合多尺度模（mó）擬與多物理場仿真（zhēn）來（lái）分析 3D 打（dǎ）印中的虛擬材料設計。下一節，我（wǒ）們將更詳細地（dì）分析他們的創新設計（jì）。
利用 COMSOL Multiphysics 分（fèn）析虛擬材料設計
開始仿真研究前，團隊首先設計了單個晶胞，該晶胞在一個方向上（shàng）的剛（gāng）度是另（lìng）一個方向的兩倍，然後分析了給定幾（jǐ）何下的材料行為。借助 COMSOL Multiphysics 的（de）優化功能，團（tuán）隊能夠分析出與給定應變相匹配的應力（lì）大小，從而用於他們想要的剛度矩陣（zhèn）。他們在一個用於（yú）測試材料（liào）行（háng）為的打印樣品上驗證了結果。
左：晶胞幾何。中：優化設計中（zhōng）的機械應力。右：3D 打印樣品。
研究人員隨即在具（jù）有高度各向異性的材料中進行了一（yī）個類似的研究。通過仿（fǎng）真，他們能夠控製材料的空間分布和各向異性纖維的取向。
團隊還有（yǒu）一個更宏大的目（mù）標，希望將仿（fǎng）真拓展到由不同材料組成的微結構中。他們對結構中各種材料的組分（fèn）及分布進行了調整（zhěng），直到實現了最優的導熱係數。
用於實現理想各向異性導熱係數（shù）的多材料成分。白色表示高導（dǎo）熱區域、橙色代表低（dī）導（dǎo）熱區（qū）域，紅色為（wéi）非導熱材料和孔隙。
在微觀級別實現（xiàn）優化後（hòu），TNO 團隊又開始（shǐ）研究更大（dà）尺度對象的優化。雖然這在實際產品開發（fā）中是必須的一（yī）步，但將（jiāng）微結構的仿真結果拓（tuò）展到實際產品尺寸的計算成本會很高。多尺度模擬提供了一種解決方案，它支持（chí）設計人（rén）員同時在微材料和產品尺度展開模擬。團隊提取（qǔ）了能在多個多材料單元中實現等效結構行為（wéi）的幾個參數，然後將其用作器件全尺度（dù）模型的輸入項。
從產品設計優化到完整零件
雖然拓撲優化是生成 3D 打印設計的一項強大工具，但（dàn）當涉及具體增材製造（zào）技術時，它仍存在一些局限。例如，在選擇性激光熔化成形（SLM）技（jì）術中（zhōng），打（dǎ）印機會（huì）利用激光將材料粉末熔化為所需的形（xíng）狀。之後，必須移除打印對象上（shàng）未使用的粉末，此外，SLM 設計中通常會避免使用大的懸臂，因為它會發生彎曲。
為解（jiě）決這一問（wèn）題，研究團隊設計了（le）具有不同密度的晶胞，然後對其結合以便（biàn）實現產品層級所需（xū）的整體屬性。他們在 COMSOL Multiphysics 中結合了多項技術，包括從單個晶（jīng）胞類型的剛度（dù）均化到產品層級的拓撲優化。隨後，他們在聚（jù）合物錘柄（bǐng）的開發中應（yīng）用了整套工藝（yì），如下圖所示。設計中包含微觀（guān）級（jí）別的不同（tóng）晶胞類型，同時優化得到適合的剛度和最少的（de）材料用量。
左：拓（tuò）撲優（yōu）化的仿真結果。中：優化的錘柄設計。右：包含多個晶胞類型的樣式。靠近頂部處（chù）的晶胞分布最密，對應較小孔隙，底部的晶胞分（fèn）布（bù）最為稀（xī）疏。中間有一些過渡形（xíng）狀。
增材製造（zào）中的新可（kě）能
TNO 的（de）研究人員已證明當前增（zēng）材製造中的各（gè）種局限可以（yǐ）通過多（duō）尺度模擬與多物理場仿真有效解決。這些進步有助於將 3D 打印的優勢與覆蓋範圍延（yán）伸到常（cháng）規技（jì）術之外；從而能開發出更複雜的新產（chǎn）品，使更多行業可以從 3D 打（dǎ）印中受益。
