Panoramica di questa revisione delle strutture porose TPMS. Crediti:di Jiawei Feng, Jianzhong Fu, Xinhua Yao, Yong He.
Con il rapido sviluppo della scienza dei materiali e della scienza manifatturiera, un gran numero di strutture complesse sono state progettate, prodotte e applicate nel campo industriale.
La maggior parte delle attuali applicazioni industriali appartengono a strutture solide senza fori. Alcuni fori interni sono addirittura considerati difetti di fabbricazione strutturali. Tuttavia, in natura esiste un gran numero di intricate strutture porose, come scheletri, favi, coralli, spugne e sughero. Le proprietà speciali delle strutture porose naturali attirano i ricercatori a provare a progettare varie strutture porose biomimetiche. Le strutture porose biomimetiche rappresentate da favi, schiume e reticoli hanno ottenuto ottimi risultati applicativi in studi precedenti.
Negli ultimi anni, sempre più ricercatori hanno cercato di utilizzare il TPMS per progettare e fabbricare strutture porose. TPMS è una superficie implicita regolare periodica con curvatura media zero. Rispetto ad altri tipi di strutture porose, la struttura porosa del TPMS presenta due ovvi vantaggi:(1) La struttura porosa complessiva del TPMS può essere accuratamente descritta da espressioni matematiche. Le proprietà di base come la porosità e la superficie specifica del volume possono essere controllate direttamente dai parametri di espressione della funzione; (2) La superficie del TPMS è molto liscia. Non ci sono curve strette o punti di connessione della struttura porosa del reticolo. E la struttura complessiva è altamente interconnessa. In alcuni tessuti biologici in natura sono state trovate strutture molto simili al TPMS.
Al momento, la ricerca sulla struttura porosa del TPMS è fiorente, ma ci sono ancora molti problemi nelle fasi chiave di progettazione, produzione e applicazione che devono essere risolte.
Di recente, il borsista post-dottorato Feng Jiawei, il professor Fu Jianzhong, il professore associato Yao Xinhua e il professor He Yong della School of Mechanical Engineering dell'Università di Zhejiang hanno pubblicato "Strutture porose di superficie minima periodica (TPMS) tripla:dal design multiscala, produzione additiva precisa ad applicazioni multidisciplinari" in International Journal of Extreme Manufacturing , che riassume sistematicamente i progressi della ricerca di strutture porose superficiali minime triplamente periodiche negli ultimi anni.
L'articolo riassume gli attuali algoritmi di progettazione geometrica e le strategie di controllo delle prestazioni per le strutture porose TPMS. Sulla base di ciò, sono stati discussi vari metodi di produzione additiva di precisione per la produzione di strutture porose TPMS. Sono stati inoltre illustrati i vantaggi in termini di prestazioni della struttura porosa TPMS e le ampie prospettive di applicazione in futuro.
La maggior parte delle strutture porose naturali ha pori non uniformi e irregolari. Sulla base delle caratteristiche superficiali implicite del TPMS, controllando la distribuzione dei parametri periodici e dei parametri di curvatura, è possibile generare strutture biomimetiche simili alle strutture porose naturali.
In termini di pori interni, è stata proposta una varietà di algoritmi di progettazione di strutture porose TPMS non uniformi (gradienti), non omogenei e multiscala. In termini di forma delle strutture porose, combinando vari algoritmi di geometria computazionale, è possibile generare la struttura porosa TPMS a forma di superficie a forma libera.
L'analisi delle prestazioni della struttura porosa del TPMS è stata un punto caldo della ricerca negli ultimi anni. Dal punto di vista di diverse discipline, i ricercatori hanno analizzato le prestazioni applicative multidisciplinari della struttura porosa TPMS, come la meccanica, la termica e l'acustica.
Rispetto alla tradizionale struttura porosa topologica, il TPMS presenta vantaggi unici. La geometria liscia ha un effetto significativo sull'effettivo miglioramento delle prestazioni. Sulla base delle proprietà strutturali, un gran numero di ricerche in corso si concentra su come ottimizzare e migliorare ulteriormente le proprietà strutturali dei TPMS per soddisfare i requisiti di applicazione industriale sempre più complessi.
La tecnologia di produzione additiva è una soluzione ideale per la fabbricazione di complesse strutture porose TPMS. Sono stati tentati vari processi per produrre strutture porose TPMS, tra cui la fusione laser selettiva (SLM), la sinterizzazione laser selettiva (SLS), gli apparecchi per litografia stereo (SLA), l'elaborazione della luce digitale (DLP), la modellazione a deposizione fusa (FDM), ecc.
Selezionando materiali e tecniche di lavorazione appropriati, è possibile fabbricare vari tipi di strutture porose TPMS ad alta precisione. Tuttavia, nel processo di pianificazione del percorso, mancano ancora metodi di pianificazione del processo efficienti e accurati per le strutture porose TPMS. E c'è ancora molto spazio per migliorare la qualità di produzione.
Con il continuo miglioramento del livello di progettazione e produzione, combinato con eccellenti proprietà strutturali, le strutture porose TPMS sono state applicate con successo in molte discipline. I pori interni del TPMS possono entrare nella fase della piattaforma sotto carico di compressione per assorbire continuamente energia.
Al momento, ci sono stati un gran numero di rapporti sull'applicazione di dispositivi di accumulo di energia a struttura porosa TPMS. I pori lisci del TPMS sono molto adatti per l'adsorbimento e la crescita cellulare. E i pori sono più adatti a sostanze nutritive e nutrienti.
Al momento, la ricerca sulla progettazione, produzione e applicazione della struttura porosa TPMS è ancora un argomento caldo. Intorno all'unicità della struttura porosa del TPMS, i ricercatori hanno effettuato una serie di tentativi interessanti. Ma ci sono ancora molti problemi che necessitano di ulteriori discussioni e ricerche.
L'attuale ricerca sulla progettazione, produzione e applicazione di strutture porose TPMS è relativamente isolata. Al fine di garantire una buona qualità di produzione, alcuni problemi del processo di produzione dovrebbero essere aggiunti come vincoli al processo di progettazione per migliorare la producibilità delle strutture porose TPMS. La maggior parte delle strutture porose TPMS attualmente utilizzate nelle applicazioni pratiche sono strutture porose uniformi con distribuzione regolare dei pori.
In futuro, il meccanismo di influenza della distribuzione dei pori sulle prestazioni effettive dovrebbe essere ulteriormente esplorato, in modo da ottimizzare e migliorare ulteriormente le prestazioni delle strutture porose TPMS. Soprattutto nel complesso ambiente delle applicazioni industriali, come realizzare l'analisi delle prestazioni multifisiche e l'ottimizzazione della combinazione delle prestazioni delle applicazioni multidisciplinari della struttura porosa TPMS è una base importante per promuovere l'applicazione più ampia della struttura porosa TPMS. + Esplora ulteriormente
