科学家通过模仿天然骨组织优化3D打印填充结构

3D打印的填充优化是世界各地的设计师、数学家和研究人员不断修改的东西，原因是最终找到节约生产成本和缩短生产时间。事实上，当涉及到生产3D打印部件时，大多数3D打印过程允许对内部密度进行某种优化。

使用立体光刻技术，生产镂空3D打印部件可确保高精度，并且使用最少的材料和最高效的速度。Polyjet3D打印技术使您能够使用更加经济实惠的支撑材料填充您的部件，FDM 3D打印使用户可以选择以不同程度的填充来制造您的3D模型文件，从而加快处理速度，同时使用较少的材料来启动。

这些成本和时间节省措施存在很大的缺点，那就是在制造部件中减小强度。比如说，包含5％内部材料和95％空气的部件将比实心部件的外力承受更弱。来自欧洲领先的技术大学的一组研究人员通过从自然世界获取灵感，优化3D打印的内部填充结构。该研究论文由Jun Wu博士（现荷兰TU Delft的助理教授）、Niels Aage博士（丹麦TU副教授）、RüdigerWestermann博士（德国慕尼黑TU教授）和Ole Sigmund博士（丹麦TU教授）撰写，并详细介绍了骨结构中的多孔结构是实现高效优化耐用填充结构的关键。

该论文提出了一种通过模仿紧凑的皮质骨，从而通过形成的外壳和海绵状骨小梁占据其内部的方式来生产最佳的轻质部分，如下方的3D打印配对部件和人类股骨的横截面。

他们的算法以类似于骨对外部体力如何反应的方式优化材料的分布。因此，这些结构模仿了自然界中发现的结构。优化的图案在内部的形状不同，这与在3D打印切片软件中使用的许多重复图案形成对比。从技术角度来看，研究者的算法是基于拓扑优化，一种用于设计轻量结构的工程方法。拓扑优化已广泛用于航空和汽车工业，其中零件和设备的重量发挥重要作用。它在需要的地方放置材料，以便在规定的外力下使结构的刚度最大化。

然而，如研究人员的研究结果所示，拓扑优化建议的结构对材料损伤和外力的变化很敏感。毕竟，效率和强度是一对矛盾的因素。通过在形状内部扩散强化微结构，新的所谓骨填充实现效率和强性之间的良好平衡。来自标准骨样优化算法的优化结构优于当前切片软件中的重复模式，这在设计用于2D股骨形物体的填充物的测试中得到了证明。在左边，我们有标准拓扑优化的结构。中间是骨填充，而重复模式显示在右边。柔度值（c），即刚度的倒数，应尽可能小。

虽然他们的工作目前仍在研究阶段，但他们已经通过使用SLS和FDM打印机制造结构部件来测试他们的方法。

对此，Jun Wu建议，现在算法最可能集成在设计链（CAD / CAE软件）中，而不是切片软件。对于世界各地的设计师来说，这应该是一个很大的工作量减轻，他们的任务是尽可能经济高效地生产零件。

展望未来，Jun指出，他们的填充优化公式的（研究）软件包很快就会发布，并且已经可以根据要求提供测试版本。