COMSOL 博客

TNO 推动 3D 打印中的虚拟材料设计的发展

2015年 12月 23日

一直以来，在 COMSOL 博客及科技界中 3D 打印（增材制造）都是一个热门话题。科技创新进一步推动了该项技术的发展，拓展了它在不同领域中的研究、制造及设计应用。借助 COMSOL Multiphysics 的强大功能，荷兰应用科学研究部（TNO）的科技人员正在研究 3D 打印在材料设计领域的应用前景。

更加灵活和自由的 3D 打印

自问世以来，3D 打印技术的影响已经渗透到了各行各业，比如汽车制造商。3D 打印使汽车设计变得更自由，它支持对零件进行高度定制，同时还能节省生产时间及成本。这项技术还促进了医药行业的创新，支持对植入物及器件进行定制设计，并能制作出器官的精确复本。

3D 打印机正在打印一个产品零件。

正如我们看到的，增材制造已经成为一项高效的产品开发手段。随着技术的进步，更加自由和灵活的设计不断涌现，进一步拓宽了该技术的应用范围；材料设计正是其中一个极具潜力的应用领域。

材料设计特别适用于裁剪具有重复样式的精细结构，为产品设计出最优的性能。根据要求，从简单的单片几何到复杂的多材料几何，均可采用单个微结构（或称晶胞）的设计。从理论上讲，晶胞设计的复杂度也就是设计的自由度，仅仅受限于设计人员的创造性和制造能力。

一直以来，3D 打印仅支持打印单材料产品，不过，该技术的最新发展使得小型结构的多材料打印成为可能。该技术使设计人员能够更精细地控制微结构，并能根据具体要求对微结构进行组合和定制。此外，工程师还能选择结构中所用某种材料的比例和排列。

TNO 的研究人员正结合多尺度模拟与多物理场仿真来分析 3D 打印中的虚拟材料设计。下一节，我们将更详细地分析他们的创新设计。

利用 COMSOL Multiphysics 分析虚拟材料设计

开始仿真研究前，团队首先设计了单个晶胞，该晶胞在一个方向上的刚度是另一个方向的两倍，然后分析了给定几何下的材料行为。借助 COMSOL Multiphysics 的优化功能，团队能够分析出与给定应变相匹配的应力大小，从而用于他们想要的刚度矩阵。他们在一个用于测试材料行为的打印样品上验证了结果。

左：晶胞几何。中：优化设计中的机械应力。右：3D 打印样品。

研究人员随即在具有高度各向异性的材料中进行了一个类似的研究。通过仿真，他们能够控制材料的空间分布和各向异性纤维的取向。

团队还有一个更宏大的目标，希望将仿真拓展到由不同材料组成的微结构中。他们对结构中各种材料的组分及分布进行了调整，直到实现了最优的导热系数。

3D 打印中用于材料设计的多材料成分。
用于实现理想各向异性导热系数的多材料成分。白色表示高导热区域、橙色代表低导热区域，红色为非导热材料和孔隙。

在微观级别实现优化后，TNO 团队又开始研究更大尺度对象的优化。虽然这在实际产品开发中是必须的一步，但将微结构的仿真结果拓展到实际产品尺寸的计算成本会很高。多尺度模拟提供了一种解决方案，它支持设计人员同时在微材料和产品尺度展开模拟。团队提取了能在多个多材料单元中实现等效结构行为的几个参数，然后将其用作器件全尺度模型的输入项。

从产品设计优化到完整零件

虽然拓扑优化是生成 3D 打印设计的一项强大工具，但当涉及具体增材制造技术时，它仍存在一些局限。例如，在选择性激光熔化成形（SLM）技术中，打印机会利用激光将材料粉末熔化为所需的形状。之后，必须移除打印对象上未使用的粉末，此外，SLM 设计中通常会避免使用大的悬臂，因为它会发生弯曲。

为解决这一问题，研究团队设计了具有不同密度的晶胞，然后对其结合以便实现产品层级所需的整体属性。他们在 COMSOL Multiphysics 中结合了多项技术，包括从单个晶胞类型的刚度均化到产品层级的拓扑优化。随后，他们在聚合物锤柄的开发中应用了整套工艺，如下图所示。设计中包含微观级别的不同晶胞类型，同时优化得到适合的刚度和最少的材料用量。