3D 打印在材料設計領域的應用前景
點（diǎn）擊（jī）量（liàng）：356 發布時（shí）間：2017-02-14 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製造技術有限公司
一直以來，在 COMSOL 博客及科（kē）技界中 3D 打印（yìn）（增材製造）都是一個熱門話題。科技創新進一步推動了該項技術的（de）發展，拓展了它在不同（tóng）領域中的研究、製造及設計應用。借助 COMSOL Multiphysics 的強大功能，荷蘭（lán）應（yīng）用（yòng）科學研究部（TNO）的科技人員正在研究 3D 打印在材料設計領域的應用前景。
更加靈（líng）活和自由的 3D 打印
自問世以來，3D 打印技術的影響已經滲透到了各行各業，比如汽車製（zhì）造商。3D 打印（yìn）使汽車設計變得更（gèng）自由，它支持對零件（jiàn）進（jìn）行高度定製，同時還能節省生產時間及成本。這項技術還促進（jìn）了醫藥行業（yè）的創新，支持對（duì）植入物及器件進（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（dǎ）印（yìn）一個產品零（líng）件。
正如（rú）我們看到的，增材製（zhì）造已經成為一項高效的產品開發手段。隨著技術的進步，更加自由和靈（líng）活的（de）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。
材料設計特別適用於裁剪具有（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，從簡單的單片幾何到複雜的（de）多材料幾何，均可采用單個微結構（或稱（chēng）晶（jīng）胞）的設（shè）計。從（cóng）理論上講，晶（jīng）胞（bāo）設（shè）計的複雜度也就是設計的（de）自由度，僅僅受限於設（shè）計人員的創造性和製（zhì）造能力。
一直以來，3D 打印僅支持打（dǎ）印單材料產品，不過，該技術的最（zuì）新（xīn）發展使得小型結構的多材料打印成為可能。該技術使設計人員能夠更精細地控製微結構，並能根據具體要求對微結構進行組合和定（dìng）製。此外，工程師還能選擇結構中所用某種材料的比例和排列。
TNO 的研究人員正結（jié）合（hé）多尺度模擬與多物理場仿真來分析（xī） 3D 打印中的虛擬材料設計。下一節，我們將更詳細地分析他們的創新設計。
利用 COMSOL Multiphysics 分析虛擬材料設計
開（kāi）始仿真研究（jiū）前，團隊首先設計了單個晶胞，該晶胞在一個方向上的（de）剛度是另一個方向的兩倍，然後分析了給定幾何下的材（cái）料行為。借助 COMSOL Multiphysics 的（de）優化功（gōng）能，團隊能夠（gòu）分析（xī）出與給定應變相匹配的（de）應力大小，從而用於他們想要的剛度矩陣。他們在一個用於測試材料行為的打印（yìn）樣品上驗證了結果。
左：晶胞幾何。中：優化（huà）設計中的機械應力。右：3D 打（dǎ）印樣品。
研究人員隨即在具有高度各向異性（xìng）的材料中進行了一個類似的研究。通過仿真，他們能夠控製材料的空間分布和各向異性纖維（wéi）的取向。
團隊還（hái）有一個（gè）更宏大的目標，希（xī）望將仿真拓展到由（yóu）不同材料組成的微結構（gòu）中。他們對結構中各種材（cái）料的組分及分布進（jìn）行了調整（zhěng），直到實現了最優（yōu）的導熱係數。
用於實現理想各向異性導熱係數的多材料成分。白色表示高導熱區域、橙色代表低導熱區域，紅色為非導熱材料和孔隙。
在微觀級別實現優化後，TNO 團隊又開始研究（jiū）更（gèng）大尺（chǐ）度對（duì）象的優化。雖然這在實際產品開發中（zhōng）是必須的一步（bù），但將微結構的仿真結果拓展到實際產品（pǐn）尺寸的計算成本會很（hěn）高。多尺度模擬提供了一種解決方案，它（tā）支持設計人員同時在微（wēi）材料和產品尺度展開模擬。團隊提取了能在多個多（duō）材料（liào）單元中實現（xiàn）等效結構行為的幾個參數，然後將其用作器（qì）件（jiàn）全尺度模型的輸入（rù）項。
從產品設計（jì）優化到（dào）完整零（líng）件
雖然拓撲優化是生成 3D 打印設計的一項強大工具，但當涉及（jí）具體增材製造（zào）技術時（shí），它仍存在一些局限。例如，在選擇性激（jī）光熔化成形（SLM）技術中，打（dǎ）印機（jī）會利用激光將材料粉末熔化為所需的形狀。之後，必須移除打印對象上未使用（yòng）的粉末，此外，SLM 設（shè）計中通常會避免（miǎn）使用大（dà）的懸臂，因為它會發生彎曲。
為解決這一問題，研究團隊設計了具有不同密度的晶胞，然後對其結合以便實（shí）現產品層級所需的整體屬性。他們在 COMSOL Multiphysics 中結合了多項技術，包括從單個晶胞類型的剛度均化到產品層級的拓撲優化。隨後，他們在（zài）聚合（hé）物錘柄的開發（fā）中應（yīng）用了（le）整套工藝，如（rú）下圖所示。設（shè）計中包含微觀級別的不同（tóng）晶胞類型，同時優化得到（dào）適合的剛度（dù）和最少的材料用量。
左：拓撲（pū）優化的仿真結果。中：優化的錘柄設計。右：包含多個晶胞類型的（de）樣式。靠近頂部處（chù）的晶胞分布最密，對應較小孔隙，底部的晶胞分布最為稀疏。中間有一些（xiē）過渡（dù）形（xíng）狀。
增材製造（zào）中的新可能
TNO 的研究（jiū）人員已證明當前增材製造中（zhōng）的各種局限可以通過多尺度模擬與多物理（lǐ）場仿真有效解決。這些進步有助於將 3D 打印（yìn）的優勢（shì）與覆蓋範圍延伸到常規（guī）技術之外（wài）；從而能開發出更複雜的（de）新產品，使更多行業可以從 3D 打印中受益。
