3D 打印在材料設計領域的（de）應用前景
點擊量：388 發（fā）布時間（jiān）：2017-02-14 作（zuò）者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製造技術有限公司（sī）
一直以來，在 COMSOL 博客及科技界中 3D 打印（增材製造）都是一個熱門話題。科技創（chuàng）新進一（yī）步推動了該（gāi）項技術的發展，拓展了它在不同領域中的研究、製造及設計應用。借助 COMSOL Multiphysics 的強（qiáng）大功能（néng），荷蘭應用科學研究部（TNO）的科技人員正在研究 3D 打印（yìn）在材料設計領域的應用前景。
更（gèng）加靈活和自由的 3D 打印
自問（wèn）世以來，3D 打印技術的影（yǐng）響已經滲（shèn）透到了各行各業，比如汽車製造商。3D 打印使（shǐ）汽車（chē）設計變得更自由，它支持對零件進（jìn）行高度定（dìng）製，同時還能節省生產時間及成本。這項技術還促進了醫藥行業的創新，支持對（duì）植入物（wù）及器件進（jìn）行定（dìng）製設計，並能製作出器官的精確複本。
3D 打印機正在打印（yìn）一個（gè）產品零件。
正如（rú）我們看到的（de），增材製造已經成為一項（xiàng）高效的產品開發手段。隨著技術的進步（bù），更加自由和靈活的設計不斷湧現，進一步拓寬了該技術的應用範圍；材料設計正是其中一個極具潛力的應用領域。
材（cái）料設計（jì）特別適用於（yú）裁剪具有重複樣式的精細（xì）結構，為產品設（shè）計出最優的性能（néng）。根據要求，從簡單（dān）的單（dān）片幾何到複雜的（de）多材料幾何，均可采用單個微結構（或稱晶胞）的設計。從理論上講，晶胞設計的複雜度也就是設計的自由度，僅僅受限於設計人員的創造（zào）性（xìng）和製造能力。
一直（zhí）以來，3D 打印僅支持打印單材料產品，不過，該技術的最新發展使得（dé）小型（xíng）結構的多材料（liào）打印成為可能。該技（jì）術使設（shè）計人員能夠更精細地控（kòng）製微結構，並能根據具體要求對微結構進行組合和定製。此外，工（gōng）程師還能選擇結構中所用（yòng）某種材料的比例和排列。
TNO 的研究人員正結合多尺（chǐ）度模擬與多物理場（chǎng）仿真來分析 3D 打印中的虛擬材料設計。下一節，我們將更詳細地（dì）分析他們的創新設計。
利用 COMSOL Multiphysics 分析（xī）虛擬材料設計
開始仿真研究前，團隊首先設（shè）計了單（dān）個晶胞，該晶胞在一個方（fāng）向（xiàng）上的剛度是另一個方向的兩倍，然後分析了給定幾何下的材料行為。借助 COMSOL Multiphysics 的優化功能，團隊（duì）能夠分析出與給定應變相匹配的應力大（dà）小，從而（ér）用於他們想要的剛度矩陣。他們在一個用（yòng）於測試材料（liào）行為（wéi）的打印樣品（pǐn）上驗證了結果。
左：晶胞（bāo）幾何。中：優（yōu）化（huà）設計中的機械應（yīng）力。右：3D 打（dǎ）印樣品。
研究人員隨即在具有高度各向（xiàng）異性的材料中（zhōng）進行了一（yī）個類似（sì）的研（yán）究（jiū）。通過仿真，他們能夠（gòu）控製材料的空間分布和（hé）各向異性纖維的取向。
團隊還有一個更宏（hóng）大的目標，希望將仿真拓展到由（yóu）不同材料組成的微結構（gòu）中。他們對結構中（zhōng）各種材料的組分及分布進行了（le）調整（zhěng），直到實現（xiàn）了最優的導熱係數。
用於實現理（lǐ）想各向異（yì）性導熱係數的多材料成分。白（bái）色表示高導熱區域（yù）、橙色代表低導熱區域，紅色為非導熱材料和孔隙。
在微觀級（jí）別實（shí）現（xiàn）優化後，TNO 團隊又開始研究更大（dà）尺度（dù）對象的優化。雖然這在實際產品開發中是必須的一步，但將微結構的仿真結果拓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（yī）種解決方案，它支持設計人員同時在微材料和產品尺度展開模擬。團隊提取了能在多個多材料單元中實現等效結構行為的幾個參數，然後將其用作器件全尺度模型的輸入項（xiàng）。
從產品設計（jì）優化到完（wán）整零件
雖然拓（tuò）撲優化是生成 3D 打印設計的一項強大工具，但當涉及（jí）具體增（zēng）材製造技術時，它（tā）仍存在一些局限。例如，在選擇性激光熔化成（chéng）形（SLM）技術中，打印機會利用激光將材料粉末熔化為所需的形狀。之後，必須移除打印對（duì）象上未使用的粉末，此外，SLM 設（shè）計（jì）中通常會避免（miǎn）使用大的懸臂，因為它會發（fā）生彎曲。
為解決（jué）這一問（wèn）題（tí），研究團隊（duì）設計了具有不同密度的晶胞，然後對其結合以便實現產品層級所需的整體屬（shǔ）性。他們在 COMSOL Multiphysics 中結合（hé）了多項技術，包（bāo）括從單（dān）個（gè）晶胞類型的剛度均（jun1）化（huà）到產品層級的拓撲優化。隨後，他們在聚合物錘柄（bǐng）的開發中應用了整（zhěng）套工藝，如下圖所示。設計中包含微觀級別的不同晶胞類型，同時優化得到適合的剛度和最少的材料用量。
左：拓撲優化的仿（fǎng）真結果。中：優化的錘柄（bǐng）設計。右：包含多個晶胞類型的樣式。靠（kào）近頂部處（chù）的晶胞分布最密，對應較小孔隙，底部的晶胞分布最為稀疏。中間有一些過渡形狀。
增材製造中的新可能
TNO 的研究人員已證明當（dāng）前增材製造中的各種局限可（kě）以通過（guò）多尺度模擬與（yǔ）多物理場仿真有效解（jiě）決。這些進步有助於將（jiāng） 3D 打印的優勢（shì）與覆蓋範圍延伸到（dào）常規技術之外；從（cóng）而能開（kāi）發出更複（fù）雜的新產品，使更多（duō）行業可以從 3D 打印中受益。
