Исследователи из Делфтского технологического университета (TU Delft) в Нидерландах (https://www.tudelft.nl/en/) разработали метод одновременной оптимизации трехмерных печатных структур и последовательности их изготовления, особенно в процессе аддитивного производства проволочной дуги (WAAM).
Для оптимизации топологии применяется состав, способный одновременно увеличивать плотность печати структуры, и продолжительность времени, которое определяет порядок процесса изготовления. Чтобы объяснить метод, исследователи используют пример робота, строящего мост в футуристическом сценарии, где мост должен сохранять механическую прочность, поскольку он строится, чтобы выдержать вес робота.
Исследование было недавно удостоено премии ISSMO/Springer от Международного общества структурной и междисциплинарной оптимизации (ISSMO - https://www.issmo.net/).
В футуристическом сценарии тяжелые роботы движутся по структуре, в данном случае по мосту, по мере того, как он строится. В стандартных примерах структурного проектирования наиболее значимый фактор касается конечных характеристик конструкции после ее завершения. Однако, рассматривая футуристический сценарий, исследователи объясняют, что механическая прочность необходима не только для окончательной конструкции моста. Он также должен выдерживать вес робота на этапах пошагового изготовления процесса WAAM, а также собственный вес растущей конструкции.
Исследователи изучали методы, которые могут быть использованы для одновременного проектирования моста и последовательности его изготовления. Чтобы обеспечить целостность конструкции в процессе ее изготовления, исследователи использовали оптимизацию топологии. Для того, чтобы поддержать робота во время изготовления моста, команда решила ввести фактор измерение времени в пространство проектирования. Это может обеспечить последовательность изготовления, которая направляет осаждение материала робота, чтобы поддерживать робота, когда он движется поверх конструкции. На рисунках ниже, сгенерированных с использованием предложенного способа, показана платформа робота, движущаяся поверх конструкции во время ее сооружения, с поддержкой, оказываемой роботу в каждой точке печати.
Переходя к собственному весу, который относится к нагрузке на конструкцию, исследователи объясняют, что это может оказать влияние на структурные свойства растущего моста. Гравитация может оказать существенное влияние и деформировать промежуточные конструкции, изготовленные дополнительно с использованием гибких материалов, таких как TPU. Поэтому исследователи работали над развитием процесса оптимизации, чтобы также учитывать соответствие промежуточных структур, вызванных собственным весом.
В этом случае учитываются следующие факторы - конечная структура и ее промежуточные структуры. Команда также ввела весовой коэффициент, чтобы определить, какая часть конструкции требует внимания. На рисунке ниже показаны четыре структуры, созданные с четырьмя различными весовыми коэффициентами для собственного веса промежуточных структур. По мере того как весовой коэффициент увеличивается, собственный вес становится предметом большей озабоченности.
В настоящее время исследователи продолжают свою работу по минимизации искажений и остаточного напряжения в процессе WAAM. Они пришли к ряду результатов, которые демонстрируют значительное влияние последовательности изготовления на искажение компонентов 3D-печати. Однако с оптимизацией исследователи утверждают, что это искажение может быть уменьшено.
TU Delft демонстрирует постоянные результаты исследований в области аддитивного производства, как для разработки технологии, так и для ее приложений. Например, в августе 2019 года исследователи из TU Delft представили разработку разноцветных сенсоров, изготовленных с помощью 3D-печати, которые могут помочь самоосознанию и адаптируемости мягких роботов.
В области метаматериалов исследователи из TU Delft создали трехмерный печатный титановый имплантат бедра. Метаматериалы - это материалы, обладающие свойствами, позволяющими им вести себя вне или «за пределами» своей природы. Поведение имплантата «вне природы» означает, что пациенты, которые его носят, испытывают меньший дискомфорт в течение всего срока замены тазобедренного сустава.
Что касается более новых применений, исследования, проведенные в университете, также включают разработку робота-рыбы с помощью 3D-печати, способной плавать в воде со скоростью 0,85 метра в секунду, и шезлонга, который может быстро превратиться в кровать.