Lattice_Karak: 用于组织工程、轻量化和热交换器应用的开源软件

软件影响14（2022）100425原始软件出版物Lattice_Karak：用于组织工程、轻量化和热交换器应用的S. Kamal KrishnamRaju，Prasad S.翁卡尔印度理工学院Hyderabad，Telangana，502284，印度A R T I C L E I N F O保留字：三周期最小表面（TPMS）超材料增材制造组织工程散热器A B标准晶格结构源于仿生学，用于制造坚固而轻质的材料。三周期极小曲面（TPMS）是一种复杂的几何网格，利用计算机辅助绘图工具进行设计具有很大的挑战性。Lattice_Karak通过提供用于生成TPMS的开源软件解决了这个问题。它具有生成和修改TPMS的所有功能，如密度分级，单元尺寸分级，杂交和分层单元。它还将生成的TPMS导出到STL文件中，以进行进一步建模和增材制造。Lattice_Karak可以生成支架、散热器和多孔结构，使其 在组织工程、轻量化和热交换方面有很好的应用代码元数据当前代码版本v1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2022-125可复制胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/5793057/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用的代码版本控制系统使用MATLAB的软件代码语言、工具和服务汇编要求、操作环境和依赖关系如果可用，请链接到开发人员文档/手册https://github.com/Kamal-k-s/Lattice/blob/main/Usage%20Manual%20for%20Lattice_Karak.pdf技术支持电子邮件：www.example.com/100062570@ku.ac.aeskamal37@hotmail.com1. 介绍文明的进步导致了复杂材料结构的发展[1]。例如，从金字塔到埃菲尔铁塔。由于这一迅速发展，新的年龄结构必须发挥各种作用。增加产品的设计空间是整合多功能性的唯一方式。产品开发的正统方法包括控制产品的最终形状（尺寸以米为单位）和材料（尺寸以微米为单位这种方法不包括米和微米之间的尺寸。这些未开发的尺寸允许在不改变形状或材料的情况下集成不同的功能。探索未开发维度的主要方法是引入晶格结构[3]。晶格结构允许通过控制来局部控制功能性质。晶格结构的形状、大小和特征。三周期最小表面（TPMS）是一种独特的晶格结构，应用于航空航天、电池电极、支架、催化剂、植入物、组织工程、能量吸收和轻量化[4]。对于这些众多的应用，拥有一个免费的开源工具来生成TPMS网格结构是非常必要的。TPMS的复杂形状使得使用计算机辅助工具进行设计成为一项繁重的任务。一些生成这些网格结构的免费软件是MS Lattice [5]，Minisurf [6]和TPMS Designer [7];所有提到的软件，即MS Lattice、Minisurf和TPMSDesigner，没有生成可变密度、单元尺寸分级、杂交和分层的选项。尽管MS Lattice可以生成具有可变密度和单元尺寸分级的TPMS，但MSLattice不是开源软件。这些特征本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。∗ 通讯作者。电子邮件地址：skamal37@hotmail.com（S.K.K. Raju），psonkar@des.iith.ac.in（P.S.Onkar）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100425接收日期：2022年7月5日;接收日期：2022年8月30日;接受日期：2022年9月20日2665-9638/©2022作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsSK Raju和P.S.翁卡尔软件影响14（2022）1004252Fig. 1. Lattice_Karak的功能使Lattice_Karak从其他软件中脱颖而出，因为它具有设计TPMS和控制其拓扑所需的所有基本功能。学生研究人员可以充分利用TPMS的应用程序时，有开源的代码和图形用户界面（GUI）为基础的应用程序生成TPMS。Lattice_Karak满足所有需求：它是开源软件;它具有GUI;它具有生成密度分级，细胞大小分级，杂交和分层晶格的功能。图1示出了应用程序的功能。这些特性使得Lattice_Karak成为一个生成TPMS点阵的出色应用。帮助学生研究人员使用TPMS提供的优异性能2. 描述特征Lattice_Karak在MATLAB®编译器上运行;它也是一个独立的应用程序，无需用户安装MATLAB®即可运行。Lattice_Karak的GUI和功能是在对学生研究人员的需求进行头脑风暴后创建的，以便帮助他们最大限度地创新和使用它。开源允许他们根据自己的意愿更改代码。GUI的创建方式是用户使用它是不言自明的。2显示应用程序的用户界面（UI）。该应用程序的功能包括可变密度，细胞大小分级，杂交和层次结构。Lattice_Karak可以控制每个方向上的单元数量，密度控制和结构的排列类型（片材/骨架）。有12个内置TPMS结构可用。TPMS的可视化占据了窗口的60%。生成的结构可以制作成STL文件，以便使用应用程序中提供的导出选项进行进一步处理和制造。Simple（简单）选项卡允许创建一个简单的TPMS网格; TPMS网格的密度可以通过UI。通过在电池参数部分输入所需的电池数量来控制TPMS的电池参数。可以从下拉菜单中选择所需的TPMS点阵。开关旋钮可选择网络类型（Sheet/Skeleton）。按下绘图按钮生成TPMS点阵。生成的点阵可以通过按导出按钮导出到STL中（见图1和图2）。第2和第3段）。胎压监测系统的关键是它在自然界中大量存在[8]，例如，蝴蝶翅膀[9]，海胆[10]，外骨骼[11]和生物膜[12]。为了模仿在自然界中发现的TPMS并满足各种结构特性的需求[13]，已经导致了可变密度[14]、单元尺寸分级[15]、混合[16]、分层[17]和具有复杂外部形状的TPMS [18]的设计。可变密度、单元尺寸分级、混合和分层有助于实现TPMS的几何控制;TPMS的几何形状对各种结构特性具有主要影响[13]。很明显，对于TPMS结构在各种学科和应用中的完整应用[19为每个设计标准提供专用选项卡。可变密度选项卡允许生成沿特定方向具有不同密度的TPMS。单元尺寸分级标签允许在不改变TPMS密度的情况下改变TPMS的孔隙率。混合标签允许创建具有两种不同TPMS网格的新 TPMS 的. 层级选项卡允许生成层级TPMS 网格。Hybridization Hierarchy选项仅在Lattice_Karak中可用这些功能有助于根据要求创建多功能晶格。TPMS采用隐式方法开发。隐式方法使用三个变量的单值函数。 曲面是函数具有某个常数值的点的轨迹。零值曲面，称为零集或水平集，表示位于空间之上、内部和外部的空间示例Schwarz原始TPMS可以由等式（1）生成（一）.∅���≡ cos������ + cos������ + cos������ =���(1)这里，λ、λ和λ是可以控制x、y和z方向上的晶胞尺寸的参数。水平设置常数，即C，可以以获得结构的相对密度。 当c= 0时，生成的曲面将空间划分为等体积的子域。这些子域的体积被修改以获得基于片的结构（c≤ c≥ c）或基于片的结构（c ≤ c或c> c）[24]。通过控制隐函数和水平集常数，得到了变密度、细胞大小分级、杂交和层次等特征。3. 影响概述由于TPMS [25]的广泛应用，各种应用的网格结构的生成是一个高度研究的主题。许多商业软件如nTop（nToplogy）、Sulis（Gen 3d）、Grasshop-per （ Rhino 3D ） 、 Simpleware （ Synopsys ） 、 Optistruct（Altair）和Creo Parameter（PTC）被用于生成晶格结构。这个非常昂贵的软件阻止学生研究人员创建晶格结构。Lattice_Karak提供了一种创建这些结构的开源方法。Lattice_Karak允许用户生成各种类型的TPMS点阵。许多研究人员正在努力了解TPMS晶格的机械行为[26这个软件可以让你- 根据要求有效地减少这些晶格的生成。有限元分析可以在获得的输出上实现Lattice_Karak（STL文件）。这种分析可以更好地理解晶格结构。由于表面积大，TPMS非常适合用作scaf。折胎压监测系统中的孔隙连通性为100%，细胞附着、增殖和分化[31]。支架的机械性能可以通过改变TPMS的结构来调整，以匹配植入部位组织的机械性能[1]。TPMS可以很容易地加工成各种形状和尺寸。所有这些特点使TPMS成为一个优秀的结构使用作为组织工程应用的支架[32Lattice_Karak允许研究人员生成用于组织工程的TPMS晶格支架。SK Raju和P.S.翁卡尔软件影响14（2022）1004253图二. Lattice_Karak的UI图三. Lattice_Karak的特点在[24]、[35Lattice_Karak还将由于其特性而在开发支架方面提供更多功能 比如杂交和细胞大小分级。高计算能力的出现需要复杂的方法来消除热量，以便电子设备不会损坏[44]。TPMS可以 由于其高表面积，可用作优秀的散热器，特别是分层TPMS，由于表面积更大[45Lattice_Karak可以快速生成层次化的TPMS网格。Lat-tice_Karak允许创建最先进的散热器。[48 - 49 51]可以使用Lattice_Karak生成Lattice_Karak 在 我 们 的 实 验 室 中 被 用 于 开 发 能 量 吸 收 结 构 。Lattice_Karak还用于生成轻量级应用程序的晶格结构，我们使用增材在我们的实验室里制造设备。Lattice_Karak的输出文件是一个STL文件，这是增材制造的实际输入格式[52]。Lattice_Karak将对多学科研究产生重大影响。由于TPMS的多学科特性[25]。4. 限制Lattice_Karak无法填充内部带有TPMS晶格的对象。Lattice_Karak无法创建封闭的热交换器。5. 结论和今后的改进本文给出了一个用于生成TPMS网格结构的开源软件。它具有生成功能分级TPMS的所有功能和能力。该软件帮助学生研究人员SK Raju和P.S.翁卡尔软件影响14（2022）1004254在各种应用中使用TPMS，而无需花费大量时间生成TPMS。用户友好的图形用户界面有助于轻松使用Lattice_Karak，即使是不熟悉TPMS设计的人。Lattice_Karak是一款用于生成TPMS点阵的一体化解决方案，适用于航空航天、催化剂、植入物、组织工程、能量吸收和轻量化等应用。将来，该软件将更新为用TPMS点阵填充整个复杂对象。甚至包括有限元分析的功能也将被添加到软件中，这样Lattice_Karak将成为一个完整的软件包，用于生成晶格结构和执行计算实验。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作附录A. 补充数据与 本 文 相 关 的 补 充 材 料 可 以 在 网 上 找 到在https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100425。引用[1]T.A. Schaedler，W.B.卡特，建筑蜂窝材料，Annu。 修订材料 Res. 46（1）（2016）187http://dx.doi.org/10.1146/annurev-matsci-070115-[2]机械设计中的材料选择，Elsevier，2011。[3] J. Mueller，J.R. Raney，K.谢伊，J.A. Lewis，通过多核壳3D打印实现高刚度和韧 性 的 建 筑 晶 格 ， Adv. Mater 。 30 （ 12 ） （ 2018 ） 1705001 ，http://dx.doi.org/10.1002/adma.201705001。[4]O. Al-Ketan，R.K.吴晓波，基于三周期最小表面晶格的多功能机械超材料，高等工程学报。21（10）（2019）http://dx.doi.org/10.1002/adem.201900524.[5]O. Al-Ketan，R.K. Abu Al-Rub，Mslattice：一个基于三重周期极小曲面生成均匀和 分 级 网 格 的 免 费 软 件 ， Mater 。Des.过 程 Commun. 3 （ 6 ） （ 2021 ）0http://dx.doi.org/10.1002/mdp2.205[6]M.T.谢湖Valdevit，Minisurf -有限元建模和增材制造的最小曲面生成器[公式介绍]，Softw.影响6（七月）（2020）100026，http://dx.doi.org/10.1016/j.simpa.2020.100026。[7]A.琼斯，M。Leary，S.贝特曼，M. Easton，TPMS设计师：一个生成和分析三重周 期 最 小 曲 面 的 工 具 ， Softw 。 Impacts 10 （ 2021 ） 100167 ，http://dx.doi.org/10.1016/j.simpa.2021.100167。[8]L.汉，S.具有三重周期极小曲面的材料综述和相关的几何学：从生物结构到自组装系统。30（17）（2018）1705708，http://dx.doi.org/10.1002/adma.201705708。[9]V. Saranathan等人，结构，功能，和自组装的单网络gy-roid（I4 132）光子晶体在蝴蝶翅膀尺度，美国国家科学院院刊。Acad. Sci. USA 107（26）（2010）11676http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0909616107[10] H.-联合Nissen，海胆骨骼单位的晶体取向和板块结构，科学（80-。）. 166（3909）（1969）1150science.166.3909.1150http://dx.doi.org/10.1126/[11] A.E. Seago，P. Brady，J. P. Vigneron，T.D. Schultz，Gold bugs and beyond：areviewofiridescenceandstructuralcolormechanismsinbeetles（Coleoptera），J.R.Soc.Interface6（suppl_2）（2009）http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2008.0354. 专心点[12] Z.Almsherqi，F.Margadant，Y.Deng，Alookthroughhttp://dx.doi.org/10.1098/rsfs.2011.0120[13] J. Feng，J. Fu，X. Yao，Y.他，三周期最小表面（TPMS）多孔结构：从多尺度设计，精密增材制造到多学科应用，Int.J.Extrem。制造4（2）（2022）http://dx.doi.org/10。1088/2631-7990/ac5be6。[14] X. Zhou，Y. Jin，J.Du，基于选择性激光熔化制造的三重周期最小表面的具有可编程孔径分布的功能梯度支架，Mater。（巴塞尔）。13（21）（2020）5046，http://dx.doi.org/10.3390/ma13215046。[15] N. Yang，Y. Tian，中国粘蝇D. Zhang，构建用于医学工程的异质多孔支架和增材制 造 的 基 于 实 函 数 的 新 方 法 ， Med.Eng.Phys.37 （ 11 ） （ 2015 ） 1037http://dx.doi.org/10。1016/j.medengphy.2015.08.006。[16] D.- J. Yoo，使 用三 重周 期最小 表面 的组织 工程 异质多 孔支 架设计 ，Int.J.Precis.13（4）（2012）527http://dx.doi.org/10.1007/s12541-012-0068-5[17] D. Yoo，组织工程分级多孔支架设计的新范例，Mater。Sci. C 33（3）（2013）1759 http://dx.doi.org/10.1016/j。msec.2012.12.092网站。[18] J. Feng，J. Fu，C.尚，智-地林湾，澳-地李，多孔支架设计的固体T样条和三重 周 期 极 小 曲 面 ， 计 算 。 方 法 应 用 机 械 工 程 336 （ 2018 ）333http://dx.doi.org/10.1016/j.cma.2018.03.007[19] A.A. Zadpoor，增材制造Meta生物材料的机械性能，Acta Biomater。85（2019）41 http://dx.doi.org/10.1016/j。actbio.2018.12.038网站。[20] L. Yuan，S.丁角，澳-地Wen，多孔金属植入物应用和三重最小表面结构的增材制造技术：综述，Bioact。Mater.4（1）（2019）56http://dx.doi.org/10.1016/j.bioactmat.2018.12.003[21] D. Mahmoud，文学硕士Elbestawi，晶格结构和功能梯度材料在骨科植入物增材制 造 中 的 应 用 ： 综 述 ， J.Manuf. Mater 。 过 程 1 （ 2 ） （ 2017 ）1http://dx.doi.org/10.3390/[22] D. Sharma，S.S. Hiremath，基于三重周期最小表面的增材制造机械超材料：性能，挑战和应用，Mech.Adv.Mater。Struct.（2021）1http://dx.doi.org/10.1080/[23] O. Al-Ketan，R.K.吴晓波，基于三周期最小表面晶格的多功能机械超材料，高等工程学报。21（10）（2019）1900524，http://dx.doi.org/10.1002/adem.201900524。[24] F. Liu，Z. Mao，P. Zhang，D.Z. Zhang，J.Jiang，Z.马，多种模式的功能梯度多孔支 架 ： 新 的 设 计 方 法 ， 物 理 和 机 械 性 能 ， 材 料 。 Des. 160 （ 2018 ） 849http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes。2018.09.053。[25] J. Feng，J. Fu，X. Yao，Y.他，三周期最小表面（TPMS）多孔结构：从多尺度设计，精密增材制造到多学科应用，Int. J. Extrem。制造商4（2）（2022）022001，http：//dx.doi.org/10.1088/2631-7990/ac5be6网站。[26] C.克鲁克等人，在刚度和强度的理论极限下的平板纳米晶格，自然通讯。11（1）（2020）1-http://dx.doi.org/10.1038/[27] Z. Wang，X. Wang，T.高氏C.施，三周期最小曲面片在压缩载荷下的力学行为和变 形 机 理 ， 机 械 工 程 学 报 。 结 构 28 （ 19 ） （ 2021 ）2057http://dx.doi.org/10.1080/[28] X. Fan等人，设计，机械性能和能量吸收能力的梯度厚度三重周期性最小表面结构 制 造 的 选 择 性 激 光 熔 化 ， 国 际 机 械 科 学 杂 志 。 204 （ 2021 ） 106586，http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106586。[29] Y. Lu，W. Zhao，Z. Cui，H. Zhu，C. 吴，基于三维周期最小曲面的支架的各向 异 性 弹 性 行 为 ， J 。 机 甲 行 为 举 止 。 BioMed. Mater. 99 （ 2019 ） 56http://dx.doi.org/10.1016/j.jmbbm.2019.07。012.[30] K. Krishnan，D. W.李，M。Al Teneji，R.K. Abu Al-Rub，基于九个独特的三重周期最小表面的泡沫的有效刚度、强度、屈曲和各向异性，Int. J. Solids Struct. 238（2022）111418，http://dx.doi.org/10。1016/j.ijsolstr.2021.111418的网站。[31] B. Chan，K.W. Leong，组织工程中的支架：一般方法和组织特异性考虑，Eur。SpineJ. 17 Suppl 4（Suppl 4）（2008）467http://dx.doi.org/10.1007/s00586-008-0745-3[32] E.H. Khogalia，H. L.周，W.H. Yap，组织工程应用中压缩载荷下三重周期最小表面晶格结构的性能，2020，020012，http://dx.doi.org/10.1063/5.0001631。[33] D.- J. Yoo，使用三重周期最小表面的组织工程计算机辅助多孔支架设计，Int.J.Precis. 12（1）（2011）61http://dx.doi.org/10.1007/s12541-011-0008-9[34] 施俊，杨俊，李文。朱湖，加-地Li，Z. Li，X. Wang，多孔支架设计方法用 于 使 用 三 重 周 期 最 小 表 面 的 骨 组 织 工 程 ， IEEE Access 6 （ 2018 ）1015http://dx.doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2777521[35] A. Yánez，A.夸德拉多岛Martel，H. Afonso，D. Monopoli，Gyroid多孔钛结构：一种用作骨缺损重建支架的多功能解决方案，Mater。Des. 140（2018）21http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes。2017.11.050。[36] 国际标准化组织，ISO 13314：2011金属机械试验-延展性试验-多孔和多孔金属压缩试验（ISO标准编号13314：2011（E）），内部器官。Stand.（1）（2011）1-7，[Online].网址：www.iso.org。[37] H. Montazerian，E. Davoodi，M. Asadi-Eydivand，J.Kadkhodapour，M. Solati-Hashjin，基于最小表面的多孔支架内部结构设计：渗透性和弹性的折衷，脱线。Des.126（January）（2017）98http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2017.04.009[38] X. Wang等人，用于骨支架和骨科植入物的多孔金属的拓扑设计和增材制造：综述，Biomaterials83（2016）127http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.01.012SK Raju和P.S.翁卡尔软件影响14（2022）1004255[39] C.K. Chua，K.F.梁智鸿蔡世文，快速成型之组织工程支架结构库之开发，第2部分 ： 参 数 库 与 组 装 程 式 ， 国 际 先 进 制 造 技 术 期 刊 ， 21 （ 4 ） （ 2003 ）302http://dx.doi.org/10.1007/s001700300035[40] L. Germain，C.A. Fuentes，A.W. vanVuure，A. des Rieux，C. Dupont-Gillain，用于组织工程应用的3D打印可生物降解的脑回支架，Mater。Des. 151（2018）113http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2018.04.037[41] B. Zhang等人，用于承重骨重建的定制力学性能多孔Ti6Al4V支架的仿生设计和3D打印，Mater.Des.152（2018）30http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2018.04.065[42] C.延湖，澳-地Hao，中国粘蝇A. Hussein，P. Young，通过选择性激光熔化制造的骨植入物的Ti-6Al-4V三周期最小表面结构，J.Mech. Behav. BioMed. Mater. 51（2015）61 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmbbm。2015.06.024。[43] F.S. L Bobbert等人，基于最小表面的增材制造金属多孔生物材料：拓扑，机械和质 量 传 输 特 性 的 独 特 组 合 ， Acta Biomater 。 53 （ 2017 ） 572http://dx.doi.org/10。1016/j.actbio.2017.02.024。[44] 阁下Ahmed，B.H. Salman，A.S. Kherbeet，M.I. Ahmed，散热器热设计的优化：综述，Int.J.热质量传递118（2018）129http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.099[45] D.W. Abueidda，A.S. Dalaq，R.K.阿布鲁布岛Jasiuk，3D周期性结构互穿相复合材料 热 膨 胀 系 数 的 微 观 有 限 元 预 测 ， Compos 。 133 （ 2015 ）85http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.06.082[46] R. Attarzadeh，M.罗维拉角Duwig，基于“Schwartz D”的热交换器的设计分析http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121415[47] D.A. Clarke，F. Dolamore，C.J. Fee，P. Galvosas，D.J. Holland，使用MRI和CFD研究通过三周期最小表面结构多孔介质的流动， Chem. Eng. Sci. 231（2021）116264，http://dx.doi.org/10.1016/j.ces。2020.116264。[48] D.放大图片作者：O.J.奥多诺霍角作者：Danilenkoff，P. Raghavendra，使用直接金属激光烧结的纵向变化晶格结构尺寸的3D金属打印散热器，虚拟物理原型。13（4）（2018）301http://dx.doi.org/10.1080/17452759.2018.1479528[49] O. Al-Ketan，M.阿里，M。哈利勒河 Rowshan，K.A. Khan，R.K. Abu Al-Rub，基 于 三 重 周 期 最 小 曲 面 的 建筑和三维可打印散热器的强制对流计算 流 体 动 力 学 分 析 ， J 。温 度 Sci. Eng. Appl. 13 （ 2 ） （ 2021 ）http://dx.doi.org/10.1115/1.4047385。[50] W. Li，G. Yu，Z.余，基于三重周期极小曲面的超临界CO2循环生物启发换热器，Appl.Therm.Eng.179（2020）115686，http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115686。[51] J. Iyer，T.穆尔，D.杨文， 基于三周期极小和周期节点曲面的换热器传热和压降 特 性 ， 应 用 热 物 理 学 报 。 Eng.209 （ 2022 ） 118192 ， http://dx.doi 。org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118192。[52] I.吉布森，D。罗森湾，澳-地Stucker，Additive Manufacturing Technologies，SpringerNew York，New York，NY，2015.