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研究人员通过数据驱动的设计方法革新了3D打印产品

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-09-21 09:33

  增材制造(AM),也称为3D打印,是一种通过添加和处理材料以逐层方式制造零件的过程。AM技术的进步已使多种材料的加工成为可能,以生产从医疗植入物到飞机发动机零件的各种规模的产品。这些产品具有丰富的形状、材料、层次结构和功能复杂性,具有极大的潜力来革新现有的产品开发流程。

  但是,要充分利用AM的独特功能进行产品开发可能是一个困难的过程,因为它需要产品设计师改变其设计思路。

  在常规制造过程中,设计人员的主要任务是定制设计以消除制造困难并最小化成本。相反,增材制造具有更少的制造约束,同时为设计师提供了更多的设计自由。因此,设计师必须从几何、拓扑、结构和材料不同的数百万种设计方案中寻找最佳的设计方案。对于当前的设计方法和计算机辅助设计(CAD)工具,这可能是一项繁琐的任务,因为它缺乏快速探索和利用这种高维度设计空间的能力。

  为了解决这个问题,新加坡科技设计大学(SUTD)数字制造与设计(DManD)中心的研究人员提出了一种综合方法,将数据驱动的方法应用于AM产品设计过程的连续阶段的设计搜索和优化中。

  首先,他们在设计探索过程中使用了简单且计算成本低的替代模型来近似并替换复杂的高保真工程分析模型,从而迅速缩小了高维设计空间。接下来,他们基于优化的代理模型进行了设计优化,从而获得了一个最佳设计。这些替代模型是使用Markov Chain Monte Carlo重采样方法基于更新后的数据集进行训练的。

  这种设计方法在AM制成的踝支架的设计中得到了证明,该踝支架具有可调节的机械性能,可促进关节的恢复过程。在这种设计中,研究人员选择了一种具有马蹄形结构的超材料,可以在其中定制其刚度。所提出的设计方法用于优化马蹄形结构在不同区域的几何形状的方向和尺寸,以实现所需的刚度分布。

  AM带来的这种几何形状复杂性为脚踝支架设计提供了独特而有利的行为。脚踝支架在允许的运动范围内非常柔软,为患者提供了舒适感。但是,一旦运动超出允许范围,由于其几何设计,其刚度足以保护用户的关节免受极端载荷的影响。

  “以前,由于传统制造的局限性,设计师很难想象如此复杂的几何设计,但是现在AM可以轻松实现这种设计。我们的新方法允许设计师在AM随附的AM中享受设计自由。转变设计范式,并创造出更多与脚踝支架相似的最佳产品。”第一作者、SUTD研究人员Yi Xiong博士说。

  随着设计空间探索和开发能力的发展,研究团队正在朝着更宏伟的目标努力—为AM开发下一代CAD系统。

  SUTD研究团队负责人兼DManD中心联合主任David Rosen教授说:“该CAD-AM系统将使设计人员能够设计出表现出传统设计和制造工具无法获得的行为的复杂几何和材料结构。与当前方法相比,设计人员可以快速检查替代设计方案十倍以上。”