(六）多材料的CAD设计 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战

| 3DScienceValley · 2023/05/05

根据多材料AM增材制造可称为多材料功能梯度增材制造 (多材料FGAM)，它考虑了多材料梯度和复杂形态的方面。根据，多材料3D打印技术的出现将在考虑材料分配和特性的情况下改变计算机辅助设计（CAD）流程，需要通过CAD软件将材料明确“分配”在零件体积内的某些位置以提供所需的功能。

本期，结合论文《Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials》，将分享3D打印多材料的CAD设计发展情况与挑战。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X

“体素”设计

材料或形态梯度的排列决定了多材料组件的特性和功能。在多材料AM-增材制造组件中，可以使用异质成分过渡或平滑的浓度梯度来消除明显的边界。在集成一体化结构中采用多种材料可以提高功能，减轻重量，并通过将组装和生产结合到一个结构一体化的加工步骤中调整制造工艺。总之，可以通过将多种材料组合成一个集成组件来设计所需的特性。

多材料的一般分类
© 白皮书

多材料组件的设计可以根据组合成单件的多种材料进行分类。根据所需的特性和功能，多材料组件中的材料可以以多种方式分布。

图. 多材料组合的设计组合。(a) 两种材料之间的过渡。(b) 两种材料之间的异质成分过渡。(c) 三种材料之间的过渡。(d) 在不同位置之间切换结构分布。(e) 两种材料在密度和成分等级方面的组合。

典型的CAD 最适合于传统制造，用于构成零件的基本形状和修改过程，反映了典型的原材料几何形状（板，块，圆柱，管等）和成形/加工方法（挤压，切割，倒角，倒角）。由于材料成分在整个过程中都是单一的、均匀的，因此通过定义其边界即可简单地表示CAD中的立体图形。而在多材料3D打印技术中，需要通过CAD软件将材料明确“分配”在零件体积内的某些位置以提供所需的功能。这意味着体积不再只能由其边界定义，而是可以将体积定义为较小体积单位的集合，体积单位可以分别指定为一种材料或另一种材料。这些小体积单位称为“体素”。

基于体素的设计已被多家软件公司认识到，并且已经开发了“体素引擎”，这些软件可以设计由体素单元组成的零件并可以随后（或同时）将像素指定为某种材料。一些具有前瞻性的软件企业正在开发多材料3D打印设计的功能，随着多材料3D打印技术的成熟，将用于生产高品质的先进组件。

麻省理工学院的Foundry软件

通过软件，允许非常精细的分辨率设置一个给定截面材料的性能。根据的市场观察，2016年，麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）在多材料打印领域取得了巨大进步，他们开发了名为Foundry的面向多材料设计的软件，使得多材料3D打印更容易、更精确的。

被称为3D打印多材料处理软件界的”Photoshop”,麻省理工的三维材料Foundry软件是针对复杂制造过程中多材料3D打印模型处理软件，通过友好的用户界面和一些前所未有的特征使得打印多材料变得更容易。

基本上，用户在三维建模软件中设计好零件，然后零件被导入到麻省理工的多材料软件中，通过这个软件来确定和制定目标的材料组成。软件的核心功能是“商图”（Operator graph)，这其中包括了100多种定义方法（或微调的动作）。用户可以细分、映射或者分配不同的材料到零件模型中的各个部分。而软件甚至允许用户定义他们是否希望材料之间可以干净的分离，如果他们想要这些材料之间是渐进的分离关系。

该软件允许制造商、设计师和工程师轻松完成多材料3D打印的设计过程，比如配合麻省理工的MultiFab这样的打印机，获得更复杂的性能优化。包括从新的复合材料的角度来优化，使得最终产品具有最佳的机械性能、热传导性能、和导电性能等……

哈佛大学的Monolith

除此之外，市场上还有商业化的多材料设计软件，根据的市场观察，Monolith （2015年被Autodesk-欧特克收购）是第一个专门为基于体素的多材料组件设计而开发的软件，它是由前哈佛大学设计研究院的研究人员Panagiotis Michalatos和Andrew Payne开发的，主要用于艺术品和原型设计，特别是与Stratasys的材料喷射3D打印系统结合使用时，该软件可以支持打印具有不同材料特性的多色彩树脂材料。

Monolith具有丰富的功能，使用户能够创建复杂而美观的设计。体素化的几何形状可以通过免费的“Painting”功能，选择和组合预定义的形状以及沿轴扫描2D位图并组合来实现。该软件还可以根据数学方程式在空间中分配体素，由于每个体素都包含有关材料成分的信息，因此还可以通过自由绘制、渐变以及许多现成的功能和样式在体积内定义不同材料的分布。

“体素引擎”-Hyperganic

Hyperganic 是一家德国公司，其目标是通过将大部分设计过程留给其“体素引擎”而彻底改变零部件设计的范式，充分利用增材制造在实现几何自由度方面的优势。

体素引擎是一种创成式算法，可根据需要在一定体积内构建体素，以满足用户定义的约束（例如载荷条件，固定点，材料密度等）。通过这种方式，设计过程从本质上被颠覆了，不是设计师来决定在何处以及如何分配材料。

ParaMatters

ParaMatters (2022年被Carbon收购）开发名为CogniCAD的软件，该软件可提供新零件的创成式设计与现有CAD模型的拓扑优化。除了根据施加的应力自动优化多孔内部介观结构的功能外，他们还公开了一种多材料拓扑优化功能。

ParaMatters曾展示过多材料零件优化的示例，一个由铝和钛两种金属制造的优化零件重量约2 kg，但单独使用铝材料制造该零件重量约5千克，混合材料零件重量减轻了60％。

ParaMatters的软件核心是一组专有功能，这些功能基于给定负载和合规性约束的应力分布的有限元分析来分析和优化零件设计。为了进行此类分析和优化，必须将模型离散化为具有小体积元素的网格，这种离散化过程类似于体素栅格化，ParaMatters的软件具有向网格元素分配各种材料的功能，并且已经对材料组合的界面强度进行了一些假设。

Additive Flow

Additive Flow 是用于多材料和多属性设计的创成式设计软件，Additive Flow 提供了明确面向多材料设计的软件插件（用于Rhino CAD）。Additive Flow 可以处理具有自定义参数的单一或多种材料的制造能力，并运行实时自动化仿真和优化，在创成式设计过程中提供快速建议和折衷方案。

Additive Flow 的独特功能包括：设置单一材料的参数，多种材料及其制造能力的兼容性，该软件提供了从单一材料到多种材料的清晰对比，因此受约束和不受约束的设计工程师都在材料、几何形状和应用方面有更多选择，以满足他们的技术要求。目前一些希望实现功能梯度材料设计的设计师正在尝试使用Additive Flow。

Additive Flow 正在和成熟的3D打印设备企业合作，涉及到的3D打印技术从冷喷涂、定向能量沉积（LMD）、粉末床金属熔融、粘结剂喷射到熔融沉积成形。例如Additive Flow 已与冷喷涂和定向能量沉积3D打印企业建立了合作，开发在不发生金属间化合物的情况下，将具有适当过渡的不同材料连接起来的方法。

挑战

然而，每个增材制造工艺和各种材料的多材料设计规则仍然需要研究。此外，应该对每个AM增材制造过程的多材料组件设计进行深入研究。此外，能够进行多材料组件设计、多学科优化和仿真方法的 CAD 软件包需要进一步研究。

论文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752300076X

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