TNO在3D打印中推进虚拟材料设计

3D打印（也称为增材制造）一直是Comsol博客和整个科学界讨论的流行话题。乐动体育赛事播报新的举措进一步扩大了该技术的能力，同时扩大了其在研究，制造和设计领域的影响力。在Comsol多物理学的帮助下，荷兰应用科学研究组织（TNO）的研究人员正在研究材料设计领域中3D打印的承诺。

3D打印中的更多自由和灵活性

自3D打印首先作为一项技术出现以来，它的影响在广泛的行业中得到了感受到的影响。以汽车制造商为例。3D打印功能扩大了车辆设计的自由度，从而可以开发高度定制的零件，同时节省生产时间和成本。在医疗领域，该技术导致了定制植入物和设备的设计以及创建器官的精确复制品的更大创新。

3D打印机创建产品组件。

如我们所见，增材制造已经成为产品开发的有效方法。随着技术的不断发展，新的自由和灵活性正在出现，从而进一步推动其应用。承诺的一个特殊领域是材料设计领域。

材料设计通常定制以重复模式组织的细尺度结构，以创建具有最佳性能的产品。根据要求，单个微观结构（也称为单位单元格）的设计范围从简单的单片几何形状到复杂的多材料几何形状。从理论上讲，复杂性以及单位单元格的设计自由仅受设计师和制造能力的创造力的限制。

传统上，3D打印只能打印单一材料产品。现在，3D打印的最新发展显示出对小型结构的多材料印刷的潜力。这样的功能将为设计师提供对微观结构的更好控制，并选择根据其特定需求组合和自定义微观结构。此外，工程师将能够选择结构中包含的各个材料的比例和排列。

TNO的研究人员正在使用多尺度建模和多物理模拟来研究3D打印中的虚拟材料设计。在下一节中，我们将仔细研究他们的创新研究。

使用COMSOL多物理研究虚拟材料设计

为了开始他们的模拟研究，该团队首先设计了一个单位单元，其刚度是一个方向的两倍，并分析了给定几何形状的材料行为。Comsol多物理学中的优化功能使它们得出与施加应变相对应的应力的适当值，以便适合其所需的刚度矩阵。通过对预期材料行为测试的印刷样品进行验证模拟结果。

左：单元电池几何形状。中心：优化设计的机械应力。右：3D打印样品。

然后，研究人员对高度各向异性材料进行了类似的研究。在模拟中，材料的空间分布和各向异性纤维的方向均可控制。

在研究团队的更大目标上，模拟扩展到了由不同材料组合组成的微观结构。调整结构中各种材料的组成和排列，直到达到最佳导热率水平。

理想各向异性热导率的多材料组成。颜色白色表示高电导率的区域，橙色代表低电导率的区域，红色描绘了非导电材料和空隙。

在Microlevel进行了优化之后，TNO的团队专注于对大规模的对象的优化。虽然开发实际产品的必要步骤，但将微观结构模拟的结果扩展到现实尺寸可能非常昂贵。乐动体育app无法登录多尺度建模提供了一个解决方案，使设计人员可以同时在微材料和产品尺度上模拟。该团队提取了几个多材料细胞的有效结构行为的参数，然后可以将其作为输入应用于设备的全尺度模型。

从产品设计优化到完成零件

虽然拓扑优化是为3D打印设计设计的强大工具，但对于特定的添加剂制造技术也有一些限制。例如，在选择性激光熔化（SLM）中，通过激光束将粉末状材料融化成所需的形状。之后必须从印刷物体中除去未使用的粉末，并且大悬垂不利于SLM设计，因为它们具有扭曲的趋势。

为了解决此类问题，研究团队设计了具有不同密度的单元，然后将它们组合在一起以在产品级别创建所需的属性。从comsol多物理学中组合了各种技术，从单个单位细胞类型的刚度均匀化到产品量表的拓扑优化。整个过程后来应用于聚合物锤手柄的开发，如下所示。该设计由微观层的不同单位细胞类型组成，并优化了适当的刚度和最少的材料使用。

左：拓扑优化仿真结果。中心：优化的锤子手柄设计。右：包含多种单元格的模式。具有小孔的密密细胞位于顶部附近，密集的细胞位于底部附近。在这些区域之间可以找到一些中间形状。

添加剂制造中的新可能性

正如TNO的研究人员所表明的那样，可以通过多尺度建模和多物理学模拟有效地解决添加剂制造的当前局限性。这样的进步有助于将3D打印的功率和触及到传统技术之外。这样可以开发新的，更复杂的产品，进一步传播3D打印技术的好处。乐动体育app无法登录

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