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面向3D打印的复杂产品设计综述(一)

0 引言

        3D 打印是采用材料逐渐累加的方式制造产品,相对于传统的切削加工方法,该技术是一种“加法”制造。近三十年来,3D 打印技术取得了快速发展,如“快速原型制造( Rapid Prototyping) ”、“实体自由制造( Solid Free-form Fabrication) ”等称谓,从不同侧面反映了该技术的一些特点。

        一般地,产品设计会涉及材料、结构、外观造型、性能和功能等方面。随着3D 打印技术在艺术、航空航天、医疗和建筑等领域的广泛应用。这些产品的功能要求日趋复杂、性能要求也越来越高,产品设计问题日益突出。产品设计最大的挑战是复杂产品设计问题,概括起来包括: 外观形状复杂性、层次结构复杂性、功能复杂性、材料复杂性及装配复杂性等方面的问题。如何解决新形势下(指3D 打印技术) 出现的产品设计问题是科研人员面临的关键问题,也是制约3D 打印技术发展的瓶颈,众多学者对此开展了大量研究。

        本文在总结大量有关产品设计方法的基础上,根据设计复杂性把复杂产品设计分为材料复杂性设计、形状复杂性设计和功能复杂性设计。下面分别从这三个方面来综述面向3D 打印的复杂产品设计。

1 材料复杂性设计

        在产品设计中,材料是设计的基础,也是影响产品性能的一个重要元素。3D 打印以其逐点堆积材料的特性,为材料设计提供了一个重要的机遇。怎样从材料层面提高产品性能是科研人员面临的首要问题。目前解决该问题主要有三种途径: 一是异质材料; 二是结构材料; 三是功能材料。下面从这三个方面阐述材料复杂性设计的研究状况。

1.1 异质材料
        异质材料实体( Heterogeneous Objects,HEO) 是指由多种材料连续或非连续分布而构成的功能性实体,主要包括多材质实体、功能梯度材料实体和多相材质实体。当前,HEO 的研究主要集中在CAD 材料建模方面。Jackson 等人利用有限元网格法成功描述了零件的材料信息。该方法利用有限元网格单元节点到边界的距离函数来表达材料信息。Siu 等人提出了基于“梯度源”的方法来模拟不同组分材料的分布,并采用3DP 工艺实现了制造。Biswas 等人提出了基于几何域场的建模方法,该方法采用距离场( distance field) 来描述模型的材料分布。从目前的研究可以看出很多学者只提出理论模型或开发了相关异质材料零件建模软件,缺少通用的CAD/CAM/RP ( RapidPrototyping,RP) 一体化设备,尚未建立有效的材料建模与产品设计体系。

1.2 结构材料
        结构材料是指以力学性能为基础并兼顾部分物理或化学性能的材料。常见的结构材料主要有多孔材料( 相对密度大于0.7) 、细胞材料( 相对密度小于0.3) 。细胞材料以其优越的力学性能被广泛应用于航空、生物医学等领域。在产品设计过程中,通常在不改变材料物理性质前提下,通过构造或优化材料微结构来提高产品性能。

        上世纪末,Hutchinson 等提出了具有“类桁架结构”( truss-like) 的新型材料,这是一种典型的多孔材料。Chu 等人研究了面向3D 打印的多孔结构的设计方法。RAJEEV 等人研究了点阵结构的微桁架结构优化问题。Murr 等人采用选择性激光烧结技术,通过控制多孔材料微结构的桁架顺序和密度制备了钛合金移植物。该方法通过控制孔隙率和内部微结构来改善产品结构性能。Brackett 等人综述了拓扑优化在3D 打印技术领域的结构材料的优化方法。

        上述结构材料设计优化方法是通过改变材料密度分布或在材料中添加新的微结构来提高产品性能。

1.3 功能材料

        功能材料一般是指在电、磁、声、光和热等作用下表现出特殊功能的材料。在产品设计方面,功能材料能显著提高产品的声、光和电等性能。由于功能材料涉及的范围较广,本文仅介绍在3D 打印技术环境下能被添加到3D 打印原料的纳米尺度的金属颗粒与非金属颗粒。

        最近关于将纳米材料用作3D 打印的研究是在2006 年,Crane 等人用钛颗粒来提高钢结构件的性能。2010 年,Athreya 等人用炭纳米颗粒与尼龙粉末混合制成了导电性能比纯尼龙强5 倍的优良导电零件。Podshivalov 等人利用3D 打印技术在多孔结构上注入生物相容性材料,生成了与免疫系统相容的人工肢体。Mannoor 等人用细胞材料打印出了具有听觉功能的耳朵。从以上对功能材料的研究可知,适当向3D 打印原料中添加功能材料能显著提高产品的机械、热学和导电等性能。

        未完待续;
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