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师造化!美丽与智慧(功能)并存的仿生增材

发布时间:2020-04-14 21:17:31 | 人气:155

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增材制造仿生设计

激光天地导读:仿生学是从自然界学习并模仿自然而付诸实践的一门学问。最近的增材制造技术的应用使得仿生学的工程应用日趋增多增材制造技术的应用在近年来也得到了日新月异的发展,这是因为随着AM近乎日趋成熟和完善,得到的材料性能有时还会优于传统工艺制造的同等材料。这就导致AM制造的部件可应用于关键且重要的场合,最为显著的典型的应用就是航空航天、汽车和医疗。能够制造复杂形状的产品是AM技术最重要的优势之一。从而使得制造的产品不仅具有复杂的形状,同时还兼具复合的性能。其可以制造的材料范围比较广泛:从塑料到金属等。同时AM技术还可以制造出其他工艺不能或不易制造出来的产品来。采用AM技术不仅仅可以发掘出其制造复杂产品的优势,从而为现实世界中的应用打开了一扇窗并且仿生学也可能是实现这一目标的关键技术。在仿生增材制造中有多种表现形式,如用于个性化定制的产品(医用假体、人体植入物、运动器械等),或用于具有特殊性能场合的优化产品(如应用于航空航天和汽车工业中的需要满足刚性、轻质的产品)。工艺的优化多采用的策略为模拟生物进化的方式来反复逼近。其他形式的仿生增材制造模拟包括将现实中的生物信息直接输入作为设计的参考,即努力的模仿生物体独特的性能;胞状或晶格结构(这也是依据不同的应用场合而进行不同的设计);将多种功能整合在一个部件当中,以及减少浪费等应用均属于这一范畴用于仿生学的设计也有多种方法,广义的来说可以分为个性化定制/自由成形、模拟驱动和晶格设计三大类以上三种可以单独使用也可以组合起来使用。并且所有的应用可以直接来自大自然的概念,也可以不是。这一综述就是为大家揭示生物仿生工程的不同形式,聚焦于满足终端需求的功能性机械工程,即并非应用于原型制造。每一设计原理的不足以及生物仿生学令人激动的前景也作了介绍。

自然界的美丽景象经常令人惊叹,鼓舞着我们获取灵感。这一灵感会促使人们利用新近发展的增材制造技术将其付诸实践。这一来自自然的美丽景象,尤其是指自然界巧夺天工的结构时,不仅仅指这些自然界的结构具有完美的曲线和独特的有机体结构,而且还指其具有独一无二的功能和性能,甚至是多功能的性能。其他形式上的美感,如等级制度、有序或无序、其他结构的组合等,也包括在内。在大约超过38亿年的进化过程中,自然界的生物已经经过物竞天择的过程而形成了独特的功能性结构,这一结构要么由有机体本身所决定的,要么由外部环境所决定的。向大自然的这一结构学习,可以优化提升工程中的实际应用效果,甚至可以帮助我们解决实际工程中遇到的问题,而且这还是一个可持续发展的解决办法。

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



点击下载原文:Beautiful and Functional: A Review of Biomimetic Design in Additive Manufacturing.pdf



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