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【学术】T样条与晶格设计制造的完美结合

    在我们生活的世界中充满了各种人造的或天然的蜂窝状的晶格结构。例如,网格状的桁架桥、蜂巢状的建筑,还有多孔的骨骼组织。晶格结构具有质量轻、耐冲击、高比强度、高比刚度、吸声效果好、高效散热隔热性以及电磁波吸收等一系列优良特性。晶格的超材料结构特性已越来越受到学术界和工业界的关注。传统的晶格结构设计主要依靠对材料化学成分或微观结构尺度的控制,如晶粒尺寸分布等。随着增材制造技术(3D打印)的发展,人们得以用3D打印技术制造晶格结构,目前针对此类复杂拓扑多孔的晶格设计与制造研究才刚刚开始。


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图1 研究人员设计制造的各类晶格(J. Bauer et al, Adv. Mater. 2017)


  浙江大学制造技术及装备自动化研究所傅建中教授团队最近提出了一种三周期极小曲面Triply periodic  minimal surfaces(TPMS)晶格的设计与制造技术,该方法的创新性在于利用T样条一体化设计晶格的的外部形貌与内部属性分布控制,进一步开发了一种TPMS晶格等壁厚增材制造填充区域高效生成方法。为避免建模此类三维模型需要消耗大量的存储空间和巨大计算资源,研发采用移动四边形算法一次插值得到切片线段,同时根据移动四边形网格拓扑关系,实现散乱切片线段的快速排序,时间复杂度仅为线性。研究将三维曲面的偏置问题转化为二维轮廓的偏置运算,利用扫掠原理高效生成具有三维等壁厚特征的二维TPMS切片填充区域,进而实现SLM技术制造。TPMS晶格结构的设计制造为组织工程支架、吸声、高效散热等复杂结构带来了新的思路和制造方法,工程应用前景广阔。


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图2 TPMS晶格等壁厚填充区域生成算法


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图3 SLM增材制造TPMS多孔晶格


    关于TPMS晶格设计方法的工作已在Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering期刊发表,IF=4.441,题为“Porous scaffold design by solid T-splines and triply periodic minimal surfaces”, https://doi.org/10.1016/j.cma.2018.03.007。关于TPMS晶格高效增材制造方法的工作已在Computer-Aided Design期刊发表,IF=2.947,题为“Layered infill area generation from triply periodic minimal surfaces for additive manufacturing”,https://doi.org/10.1016/j.cad.2018.09.005。文章第一作者浙江大学博士生冯嘉炜,通讯作者傅建中教授。


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