增材制造中的时空拓扑优化
时间：2020-02-10 19:51 来源：增材之光 作者：中国3D打印网 阅读：次
王为民博士的研究获奖，他于2019年5月在北京举行的第13届世界结构与多学科优化大会（WCSMO）上做了演讲。他将在2021年WCSMO-14大会上正式获得ISSMO / Springer奖。机器人辅助增材制造工艺在这项新工作中起着重要作用，涉及两个设计变量：定义布局的密度场和用于生成中间结构的时间场。需要优化的结构可能非常复杂，需要“附加约束”才能进行制造和建造。但是，这些限制实际上会危及结构。
研究人员指出，在这些领域已经取得了很大的进步，但是直到现在，还没有同时进行优化和结构制造。“所提出的方法与增材制造的最新进展形成了完美的匹配，增材制造使柔性制造能够超越连续的平面层。”时空拓扑优化包括对整体结构的评估，但包括过程的“不完整”部分以及中间阶段。为了使用这种新系统，研究人员提出了用机器人技术建造桥梁的想法。随着“重型机器人”的发展，它们不仅可以确保桥梁坚固，而且能够在制造过程中承受机器人的重量。
离散密度场（a），连续时间场（b）以及在T = 0.2（c）和T = 0.4（d）处产生的中间结构的示意图。为了便于说明，在（c）和（d）中以灰色示出了整个结构。设计域的外部轮廓由橙色虚线表示。
密度场（底部），时间场（顶部）以及用于指定中间结构的相应过滤和投影操作的图示（右）
为了防止形成孤立的材料补丁，研究人员集中于改进增量增材制造加工，在该过程中，其中一层将要被沉积到下一层。研究人员解释说：“在制造过程中，隔离的材料补丁可以与时间字段中的局部最小值相关联；它所有相邻的元素都具有较大的时间值，因此将在以后制造。”以不同的制造起点（蓝色区域）生成的时间字段和结构。从上到下：初始时间字段（由与起点对应的距离字段构成），优化时间字段和优化结构。黑色曲线表示在不同制造阶段制造的相邻部件之间的边界。在该测试中，阶段数为8，不是设计变量，而是规定的。因此，确定Ti，用于分割时间字段的值。右侧的色条指示时间值。（此色标在本文中也始终用于其他图形）
平台的自重会随着其增长而对结构产生影响，并且在增材制造过程中，诸如热塑性聚氨酯之类的材料可能会产生很大的变形。
由机器人平台制造的桥梁。在建桥梁应在所有中间阶段支撑可移动机器人平台。图片由MX3D提供（www.mx3d.com）
优化中使用了四个不同的加权因子（αi= 0.001、0.1、0.4和0.6），研究人员指出：“随着自重的增加，溶液的特征在于附近的固体元素数量增加设计域被分为12个部分，研究团队需要找出每个子域的实体元素数量。机器人应该以连续的动作工作，从左上角开始，然后向右移动，将每个区域的物料放置在其范围内。如果过程顺利进行，则应在每个区域中以相同的速度沉积相同数量的材料，并使用与时间有关的材料来施加与过程有关的负载。
左：机器人打印机平台在顶部（左）上沿结构从左向右移动。中：制造时间的上限和下限。右图：优化的时间字段，并且优化的密度字段带有时间字段的颜色。制造阶段数为8，αi= 0.5。最终结构的合规性在底部列出
显然，这些例子绝不是关于配方潜力的穷举。研究人员总结说：“一些关键参数的收敛性和影响力通过广泛的参数研究得到了评估。”“拟议的配方为拓扑优化和先进制造技术的集成开辟了新的方向。将此公式从2D扩展到3D很简单。在将来的工作中，我们特别希望考虑高度依赖于制造顺序的制造引起的失真。”尽管这个新颖的概念极富创新性，但当今的研究人员正在将机器人技术纳入他们的大部分工作，从将制造提升到4D的新高度，再到集成软机械材料，传感器等。
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