3D打印复合材料的端到端纤维路径优化：更少纤维实现更高刚度
摘要：三维打印中，坚硬的纤维（如碳纤维）能够增强具有有限刚度的热塑性聚合物。然而，现有的商业数字制造软件仅提供了几种简单的纤维布局算法，这些算法仅使用形状的几何信息。本研究构建了一种自动化纤维路径规划算法，该算法在给定特定外部负载的情况下最大化3D打印的刚度。我们将其形式化为一个优化问题：设计一个目标函数来评估物体的刚度，并规范纤维路径的某些属性（如平滑性）。为了初始化每条纤维路径，我们使用有限元分析计算物体上的应力场，并贪婪地“行走”在应力场的方向上。然后，我们应用一种基于梯度的优化算法，使用伴随方法来计算刚度相对于纤维布局的梯度。我们将我们的方法在模拟和真实世界实验中与三种基线进行比较：（1）由Markforged开发的领先数字制造软件包Eiger生成的同心纤维环；（2）在模拟应力场上的贪婪提取（即我们的没有优化的方法）；（3）基于平滑模拟应力场计算的纤维方向场上的贪婪算法。结果表明，由我们的算法生成的具有纤维路径的物体在使用更少的纤维的同时实现了更大的刚度，相对于基准方法，我们的算法改进了物体刚度和纤维利用率之间的帕累托前沿。消融研究表明，平滑正则化器对于可行的纤维路径和优化的稳定性是必要的，多分辨率优化有助于减少运行时间，相对于单分辨率优化。
作者：Xingyuan Sun, Geoffrey Roeder, Tianju Xue, Ryan P. Adams, Szymon Rusinkiewicz
论文ID：2205.16008
分类：Computational Engineering, Finance, and Science
分类简称：cs.CE
提交时间：2022-06-01