无需STL流程,三重周期性最小表面(TPMS)的设计和3D打印范例

根据3D科学谷的市场观察,点阵晶格结构由于具有较高的比强度和刚度,因此可以为通过选区激光熔化技术制造的高性能组件增加附加价值。

TPMS 为三重周期性最小表面(TPMS),对于结构应用而言,TPMS设计显示出高强度重量比,与增材制造技术结合使用,使得设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

不过TPMS结构的3D打印过程充满挑战,本期,3D科学谷结合Science Direct上的论文《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》与谷友共同领略无需STL流程,三重周期性最小表面(TPMS)的设计和3D打印范例。

OECHSLER_Chair_1@裕克施乐(太仓)

更小的文件、更高的精度

《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中提出了一种新的数字设计和制造范例,通过使用无STL工作流程的概念来解决复杂设计文件的可扩展性和3D打印制造效率方面的挑战。它无缝集成了用于设计的隐式实体建模和用于制造的直接切片,而无需任何与STL网格相关的中间步骤。

论文中所提出的范例已通过两个案例研究得到验证,这些案例涉及填充多尺度三重周期性最小表面(TPMS)的复杂几何形状,这些几何形状是由PBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术,通过25 µm激光束制造的。

复杂设计的制造挑战

增材制造(AM)通过一层一层地堆积材料来构造3D对象,由于在制造精度和可用材料范围方面的重大改进,如今增材制造技术已被认为是有价值的工业生产技术。特别是,基于激光的金属粉末床熔化(PBF)技术的精度已提高到可以3D打印具有高度复杂的几何形状和极其精细的细节的金属零件的水平。这使得PBF-LB / M特别适合于生产高性能的轻质晶格结构。

尽管具有上述优点,但PBF的制造过程还是充满挑战的,通常来说,3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻(STL)格式的网格表示,然后将网格切成一系列平面轮廓,最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是,当切片的三角形数量过多时,三角形的数量会变得非常庞大,处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间,导致无法在计算机上正常运行。当要打印的零件具有高度复杂的内部结构(例如,三重周期性最小表面(TPMS))时,情况就更糟了。由于这些原因,需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。

现有的大多数研究工作都是通过改进CAD到STL转换过程来解决上述效率问题的。工作原理是在网格划分CAD模型时最小化三角形的数量,这些方法通常可以产生明显的三角形缩小,但有两个严重的局限性。首先,针对不同的CAD模型开发了不同的简化方法,没有通用算法可用。其次,已开发的算法仍无法在具有自由曲面的模型(例如基于TPMS的网格)上给出足够减少的三角形。

也有研究专注于改进STL到轮廓的切片过程,然而,尚未证明存储器和时间使用量的显着减少,

比较新的进展还包括通过使用解析表达式表示3D距离场来缓解此问题,但主要重点是对开放曲面进行切片,而不是对这项工作中考虑的实体进行切片。另外,仅研究简单的几何形状(即1级TPMS)和低精度的PBF打印。目前还没有为设计和制造中的效率问题提供完整的解决方案。

《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中通过无STL的概念解决效率问题,涵盖设计和制造的两个方面。具体来说,论文将设计的隐式实体建模与制造的直接切片无缝集成。

通过隐式建模,可以实现复杂的几何图形高效建模,没有任何与STL相关的表示;通过直接切片,可以直接从隐式几何图形生成激光路径,而无需任何与STL网格相关的中间步骤。然后,可以显着减少存储器和时间消耗。在论文中的实验中,即使对于如图3所示的基于3级TPMS的复杂晶格,内存使用量已减少到100MB,平均计算时间约为1s / slice。

为了使此解决方案容易理解,论文使用了当前流行的基于TPMS的网格作为示例,以详细介绍过程细节。由于高的表面积体积比,基于TPMS的晶格需要大量三角形才能准确表示,这提供了一个很好的示例,说明了传统工艺流程无法正常工作的情况。但是,应注意,许多晶格结构都有隐式表示方案,例如,最常用的基于stut的晶格。这些结构的设计和制造都可以从论文所述的工作中受益。

设计

数字框架包括四个步骤(图1)

OECHSLER_Chair_2图1:数字框架

2.1 设计规范

此阶段从最初的产品设计思想开始,随后将其转换为数字数据,从而证明了产品的性能和功能要求的定义。然后,确定内部结构,例如TPMS类型,层次级别,密度分布,单元大小和方向。

尽管PBF 3D打印技术具有设计自由度的巨大好处,但是它在此阶段要考虑的可制造性确实存在局限性,主要包括以下两个方面:

机器的功能:限制条件包括激光直径、构建尺寸、数据大小、生产时间、粗糙度和最小特征尺寸的限制。

材料选择:最佳的处理参数和打印环境的要求(例如能量吸收率、保护气体、氧气含量)因材料而异。

2.2 隐式建模

隐含的三个具有复杂结构的P,G,D曲面通常可以通过以下函数生成:

TPMS图2. TPMS:(a)P,G,D型表面;(b)G表网状固体;(c)与球体相交;(d)分级结构。

2.3 直接切片

PBF的高精度制造特点和TPMS中的高表面积体积比要求采用直接切片方法,而没有三角形网眼构造和加工的任何中间步骤。论文的方法包括三个步骤:(1)切片平面的点隶属度分类,见图3b; (2)从分类平面提取轮廓,参见图3c;(3)基于提取的轮廓生成激光路径,请参见图3d。

TPMS_2图3. 直接切片:(a)待切片的TPMS;(b)点隶属度分类;(c)轮廓提取;和(d)激光路径生成

该方法将每个切片平面上的任何点分类为IN-Solid或OUT-Solid。IN-Solid表示一个点在TPMS的实体之内,否则为OUT-Solid。具体来说,如果为,则点为IN-Solid,如果为,则点为OUT-Solid。在为给定切片平面分类的点隶属关系中,其轮廓立即显示为IN-Solid和OUT-Solid所占据的平面区域之间的边界。在算法上,可以使用行进平方法来获得此边界,该方法将IN-Solid和OUT-Solid之间的采样点增长为边缘环(即轮廓)。提取的轮廓以CLI格式存储。获取了CLI文件后,可以使用商业软件轻松生成激光路径及其相关的G代码。

在每个切片平面上获得轮廓(存储为CLI文件)后,使用商业软件HansMpath生成G代码作业来驱动PBF3D打印制造。表3给出了用于打印的工艺参数。常用的扫描策略是将每个连续层的扫描图案旋转67°,以减少残余应力。

上述直接方法将切片问题的维度从3D减小到2D,因此可以节省与建模方向有关的所有内存消耗。如案例研究所示,大约可以将内存使用量至少减少几倍。由于完全避免了耗时的三角网格重建和处理过程,因此还可以显着减少切片时间。

TPMS_3图4:多尺度TPMS表

图4显示了如何通过隐式建模方法生成相对密度为10.3%的3个级别的多尺度TPMS表。表1汇总了建模参数。通过将具有不同C常数的两个G面封闭起来,可以生成具有立方体外部形状的1级G板。

因此,该空间被分为3个区域:域A,域B和工作表,如图4d所示,并且这种分离现象也存在于其他G级工作表中。然后,通过从1级表中减去2级域A和B,获得2级G表,如图4e所示。将相同的关系应用于生成3级G图纸。2D切片证实了在低层G片区域中生成了高层G片,这保证了TPMS结构的连通性。更重要的是,可以通过迭代应用此方法来获得更高级别的多尺度TPMS。

如表1所示,应用分层结构可以实现更好的设计性能,即3级多尺度TPMS的表面积与体积之比为15.2。相比之下,一级TPMS的表面积与体积之比仅为0.8。

TPMS_4表格1:隐式模型参数

TPMS_5表格2:测试模型的切片统计信息

TPMS_6表格3:PBF工艺参数

FBF图5:骨支架:(a)主骨;(b)1级;(c)2级;(d)3级

TPMS_7图6:多尺度TPMS和骨支架的照片,显微结构和厚度偏差

如图6所示,打印了3个级别的多尺度TPMS和骨骼支架。通过光学显微镜研究了TPMS的壁厚和粗糙度,显示出高打印精度(达到设计规格)和低粗糙度(Ra~3)。与传统的PBF工艺相比,可以实现μm级精度)。

TPMS_8图7:被动冷却测试温度历史记录和冷却时间(从110°C到55°C):1级:249s,3级:167s

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l 文章来源:3D科学谷市场研究团队

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