增材制造中的時(shí)空拓?fù)鋬?yōu)化

來(lái)源：增材之光

代爾夫特理工大學(xué)的研究人員不僅開發(fā)了一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)及其制造順序的新方法，而且主要作者還因其令人印象深刻的“空間”而獲得了國(guó)際結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化協(xié)會(huì)（ISSMO）的ISSMO / Springer獎(jiǎng)。增材制造的時(shí)間拓?fù)鋬?yōu)化：結(jié)構(gòu)布局和制造順序的并發(fā)優(yōu)化，最近發(fā)表在《結(jié)構(gòu)和多學(xué)科優(yōu)化》雜志上。

王為民博士的研究獲獎(jiǎng)，他于2019年5月在北京舉行的第13屆世界結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化大會(huì)（WCSMO）上做了演講。他將在2021年WCSMO-14大會(huì)上正式獲得ISSMO / Springer獎(jiǎng)。機(jī)器人輔助增材制造工藝在這項(xiàng)新工作中起著重要作用，涉及兩個(gè)設(shè)計(jì)變量：定義布局的密度場(chǎng)和用于生成中間結(jié)構(gòu)的時(shí)間場(chǎng)。需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜，需要“附加約束”才能進(jìn)行制造和建造。但是，這些限制實(shí)際上會(huì)危及結(jié)構(gòu)。

研究人員指出，在這些領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是直到現(xiàn)在，還沒(méi)有同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化和結(jié)構(gòu)制造�！八�提出的方法與增材制造的最新進(jìn)展形成了完美的匹配，增材制造使柔性制造能夠超越連續(xù)的平面層。”時(shí)空拓?fù)鋬?yōu)化包括對(duì)整體結(jié)構(gòu)的評(píng)估，但包括過(guò)程的“不完整”部分以及中間階段。

為了使用這種新系統(tǒng)，研究人員提出了用機(jī)器人技術(shù)建造橋梁的想法。隨著“重型機(jī)器人”的發(fā)展，它們不僅可以確保橋梁堅(jiān)固，而且能夠在制造過(guò)程中承受機(jī)器人的重量。

離散密度場(chǎng)（a），連續(xù)時(shí)間場(chǎng)（b）以及在T = 0.2（c）和T = 0.4（d）處產(chǎn)生的中間結(jié)構(gòu)的示意圖。為了便于說(shuō)明，在（c）和（d）中以灰色示出了整個(gè)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)域的外部輪廓由橙色虛線表示。

密度場(chǎng)（底部），時(shí)間場(chǎng)（頂部）以及用于指定中間結(jié)構(gòu)的相應(yīng)過(guò)濾和投影操作的圖示（右）

為了防止形成孤立的材料補(bǔ)丁，研究人員集中于改進(jìn)增量增材制造加工，在該過(guò)程中，其中一層將要被沉積到下一層。

研究人員解釋說(shuō)：“在制造過(guò)程中，隔離的材料補(bǔ)丁可以與時(shí)間字段中的局部最小值相關(guān)聯(lián)；它所有相鄰的元素都具有較大的時(shí)間值，因此將在以后制造�！�

以不同的制造起點(diǎn)（藍(lán)色區(qū)域）生成的時(shí)間字段和結(jié)構(gòu)。從上到下：初始時(shí)間字段（由與起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離字段構(gòu)成），優(yōu)化時(shí)間字段和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。黑色曲線表示在不同制造階段制造的相鄰部件之間的邊界。在該測(cè)試中，階段數(shù)為8，不是設(shè)計(jì)變量，而是規(guī)定的。因此，確定Ti，用于分割時(shí)間字段的值。右側(cè)的色條指示時(shí)間值。（此色標(biāo)在本文中也始終用于其他圖形）

平臺(tái)的自重會(huì)隨著其增長(zhǎng)而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并且在增材制造過(guò)程中，諸如熱塑性聚氨酯之類的材料可能會(huì)產(chǎn)生很大的變形。

由機(jī)器人平臺(tái)制造的橋梁。在建橋梁應(yīng)在所有中間階段支撐可移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。圖片由MX3D提供（www.mx3d.com）

優(yōu)化中使用了四個(gè)不同的加權(quán)因子（αi= 0.001、0.1、0.4和0.6），研究人員指出：“隨著自重的增加，溶液的特征在于附近的固體元素?cái)?shù)量增加設(shè)計(jì)域被分為12個(gè)部分，研究團(tuán)隊(duì)需要找出每個(gè)子域的實(shí)體元素?cái)?shù)量。

機(jī)器人應(yīng)該以連續(xù)的動(dòng)作工作，從左上角開始，然后向右移動(dòng)，將每個(gè)區(qū)域的物料放置在其范圍內(nèi)。如果過(guò)程順利進(jìn)行，則應(yīng)在每個(gè)區(qū)域中以相同的速度沉積相同數(shù)量的材料，并使用與時(shí)間有關(guān)的材料來(lái)施加與過(guò)程有關(guān)的負(fù)載。

左：機(jī)器人打印機(jī)平臺(tái)在頂部（左）上沿結(jié)構(gòu)從左向右移動(dòng)。中：制造時(shí)間的上限和下限。右圖：優(yōu)化的時(shí)間字段，并且優(yōu)化的密度字段帶有時(shí)間字段的顏色。制造階段數(shù)為8，αi= 0.5。最終結(jié)構(gòu)的合規(guī)性在底部列出

顯然，這些例子絕不是關(guān)于配方潛力的窮舉。研究人員總結(jié)說(shuō)：“一些關(guān)鍵參數(shù)的收斂性和影響力通過(guò)廣泛的參數(shù)研究得到了評(píng)估�！�

“擬議的配方為拓?fù)鋬?yōu)化和先進(jìn)制造技術(shù)的集成開辟了新的方向。將此公式從2D擴(kuò)展到3D很簡(jiǎn)單。在將來(lái)的工作中，我們特別希望考慮高度依賴于制造順序的制造引起的失真�！�

盡管這個(gè)新穎的概念極富創(chuàng)新性，但當(dāng)今的研究人員正在將機(jī)器人技術(shù)納入他們的大部分工作，從將制造提升到4D的新高度，再到集成軟機(jī)械材料，傳感器等。