2024-11-29
此前，山東大學聯和國防科技大學在《Virtual and Physical Prototyping》 ( IF 10.2 )發表了題為“Topology optimisation for vat photopolymerization 3D printing of ceramics with flushing jet accessibility constraint”的研究，提供了一種專用于光固化陶瓷3D打印的晶格-固體混合結構的多尺度拓撲優化方法，并提出了新的清洗射流可及性約束，旨在有效去除殘留在晶格結構中未固化漿料。
近年來，3D打印技術的快速發展使拓撲優化方法成為高性能輕量化結構設計的研究熱點，特別是具有多孔微結構填充的多尺度結構，傳統上無法制造的多孔陶瓷，可以通過3D打印成功加工。
如圖中所示的光固化立體成型流程中，步驟二的清洗環節至關重要，因為若殘留陶瓷漿料未能徹底清除，會增加部件的重量，并降低燒結部件的形狀精度和表面質量。然而，對于清洗液沖洗射流無法觸及的孔洞、通道及其他復雜幾何形狀部位，清除殘留漿料就成了一項復雜甚至難以完成的任務。
如圖所示，假設僅涉及單向沖洗射流，陰影區域代表無法觸及的區域，因為沖洗射流只能穿透晶格（灰色標記）而無法穿透實體（黑色標記）。因此，在對結構進行優化時，應仔細考慮確保沖洗射流能夠到達所有需要清洗的區域。
本研究提出了一種適用于陶瓷光固化立體成型3D打印的晶格——實體混合結構的多尺度拓撲優化方法，并同時提出了一種新的沖洗射流的清潔方法，旨在有效地去除光固化3D打印陶瓷后殘留的余料。
具體來說，通過引入了漸變晶格和固體材料的插值，構成拓撲優化的基本原理；在此基礎上建立了多尺度拓撲優化數學模型，并利用伴隨靈敏度進行求解。通過二維和三維數值算例驗證了所提方法的有效性。此外，在進行研究試驗時使用Ceramaker系列3D打印機進行了3D打印實驗，以驗證優化結構解決方案的全水射流可行性，并進行了實際應用演示。
上圖展示了對三組優化的三維MBB梁模型進行了增材制造和清洗測試，以驗證所提出方法的有效性。圖為總結構尺寸為120 mm x30mm x20 mm的三維MBB梁模型，分別為(a)梯度點陣填充設計、(b)不考慮沖刷可達性約束的LSHS設計和(c)考慮沖刷可達性約束的LSHS設計，使用 3D打印機C900 Flex (3D Ceram, France)打印優化結果。
上圖展示了清洗實驗過程。首先，如圖 （a）所示，將附著有大量殘留陶瓷漿料的固化部件從打印平臺上取下。然后，用刮刀對附著在部件外表面的未固化漿料進行初步清理。之后，如圖 （b）所示，沿著部件的六個方向（上、下、左、右、前、后）用水射流對部件進行沖洗。每個部件在單個沖洗方向上的沖洗時間均為 5 分鐘。最后，對清洗后的三組部件進行稱重以評估清洗效果。參照圖 （c），這六個部件的重量分別為 119.64 克、111.43 克、121.19 克、122.55 克、75.83 克和 76.80 克。可以發現，由于引入了沖洗射流可達性濾波器，所提出的設計避免了固相中出現倒扣特征，并且固體材料集中在結構的 z 軸對稱表面。同時，由于考慮了沖洗射流的有效沖洗強度，消除了深孔特征，從而實現了最佳的清洗效果。然而，梯度晶格結構設計和另一種晶格 - 實體混合結構（LSHS）設計由于出現深孔和倒扣結構特征，清洗效果較差。
綜上所述，本研究提出了一種新穎的LSHS拓撲優化方法，根據這種新的方法使光固化3D打印陶瓷復雜部件時殘留陶瓷漿料的清洗困難問題獲得良好的解決方案，達到了最佳的殘漿清洗效果。
