发布时间:2020-04-14 21:17:31 | 人气:640
增材制造仿生设计
图1 2005年-2018年关于仿生增材制造领域发表的文献
仿生学广义的定义就是受大自然的启发而获得灵感。或者叫受到大自然基因的启发而获得一种相应的理念。工程应用中的仿生学包括从自然界中向大自然学生所获取的信息用以解决工程问题,或将其应用于工程实践。在自然界,其显微结构可以从纳米、到微米乃至到宏观尺度,从而赋予目标体不同的性能和功能。反之亦然。现代工程设计已经具备在改变结构特征和性能的同时而保留其功能而满足其特殊的应用需求。在理想的条件下,AM技术具备将革新性的仿生设计转变成具有理想性能和功能的目标体。在当今世界,大约2百万的生物体已经得到了我们的研究,尽管估计至少有千万种以上的生物体存在。生物的多样性及其种类的复杂性为我们受其启发和获得足够的信息提供了取之不尽用之不竭的资源。尤其是使用AM技术将其变成现实的应用。其自由设计和制造复杂产品的 能力使得AM技术将其中的大多数变成了现实的应用。其模仿复杂形状的能力和模仿生物体材料性能的能力是仿生学的目标。
三种仿生增材制造的来源
在增材制造领域,仿生学经常有不同的含义,对于仅仅只是具有复杂的曲线或圆角而没有生物特征是不能算作仿生学的。必须要有生物的信息输入才算。如果一种部件应用了生物学的知识,即使它形状简单,也可以称之为仿生,如假体等。拓扑优化、再生设计以及模拟为驱动的设计,经常会制造出有别于传统制造的设计、复杂的形状出来,也称之为仿生。仿照自然界中的生命有机体的过程也称之为仿生。这是因为其形状复杂,但也经常发生在模拟生物结构的前提下。胞状或晶格设计的材料也属于仿生,这是因为它同生物多孔材料相似(如蜂巢或骨小梁)。目前这一材料最为典型的应用是牙科和骨植入材料。骨植入材料是模仿人体骨而制造的,可以保证其机械性能和吸收渗透的仿生要求。
自由设计的灯笼 和个性化定制的面部植入体
将仿生学和受大自然的启发获得的灵感用于材料设计引起多领域科学家的高度关注,如生物学、生物材料、传感、化学、材料科学与工程等。仿生学综合了多学科的知识而形成的交叉学科。如图1 所示是今年来发表的相关论文的统计图。在2018年至少有4000多篇关于这个话题的综述、研究论文、书本的章节等。
基于模拟驱动的仿生AM
基于拓扑优化的仿生AM
最近几年,AM技术已经从原型技术变成可以直接应用的技术。尤其是在AM技术发展迅猛的前提下,在航空航天和医疗等诸多领域得到了一定程度的应用。
自然界的晶格结构和仿生案例
自然界的晶格
拓扑优化和晶格结构的对比
文献来源:Beautiful and Functional: A Review of Biomimetic Design in Additive Manufacturing,。Additive Manufacturing,Volume 27, May 2019, Pages 408-427,
https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.03.033