增材制造晶格生成工具：Matlab程序设计的软件影响12（2022）100262

软件影响12（2022）100262原始软件出版物用于增材制造的可编程晶格生成工具大卫·唐宁a，b，马修·麦克米兰a，c，米兰·勃兰特a，b，马丁·利里a，b，a澳大利亚墨尔本皇家理工大学工程学院RMIT增材制造中心b澳大利亚Kelvin Grove ARC增材生物制造工业培训中心cBigRep GMBH，Berlin，Germany自动清洁装置保留字：蜂窝结构稳健设计Matlab程序设计生成式设计数值分析A B标准可编程晶格生成器（PLG）是一种用于通过重复基于支撑的晶格单元来生成晶格结构的软件工具。该代码具有扩展的单元拓扑库和附加功能。它提供了关于每个支柱元件的连接性、长度、方向和可打印性的信息。该代码已用于生成有限元模型和增材制造的网格几何形状在多篇同行评审期刊文章中提出的部分。该软件已扩展到包括帮助部署最佳AM结构的工具，包括径向变换和可制造性评估。代码元数据当前代码版本2.1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2021-188可复制胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/4747455/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言，工具和服务使用Matlab编译要求、操作环境和依赖关系Matlab（2019 a有关问题的支持电子邮件，请参阅存储库1. 介绍格构结构是由连接的支撑元件组成的空间框架，对于包括汽车、航空航天和生物力学在内的一系列工程应用非常重要[1]。调整连接性（拓扑结构）和局部支撑元件横截面可以提供影响晶格结构的机械和热性能的可调相对密度。增材制造（AM）能够制造与晶格结构相关的复杂几何形状，这些几何形状使用传统成形和减材技术制造具有挑战性[2]。这种晶格结构的手动设计变得极其复杂，超出了几个单元格。CAD软件包可以使用图案来复制单位单元，但是它们在生成局部网格的能力方面受到限制。改变以调整机械和热响应。此外，这些CAD软件包的代码通常不允许修改。程序化晶格生成器（PLG）软件通过规则晶格结构的算法生成来应对这些挑战。该软件旨在以可重复的方式促进晶格结构的创建，而不管其几何复杂性如何。PLG从单位晶胞生成晶格结构。 这些单位单元可以组合、缩放和旋转。然后，这些单元格被复制（沿轴重复）、缩放、变换或与其他晶格连接。一旦创建了所需的结构，就可以对其进行分析、绘图或保存为几何格式。这些数据可以用于增材制造（AM）和计算机模拟。代码是开源的、可编程的、可伸缩的、可扩展的和灵活的以便使其使用适合项目案例需要。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。RMIT Centre for Additive Manufacturing，School of Engineering，RMIT University，Melbourne，Australia.电子邮件地址：martin. rmit.edu.au（M. Leary）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100262接收日期：2022年1月9日;接受日期：2022年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-impactsD. 唐宁，M。McMillan，M.Brandt等人软件影响12（2022）1002622Fig. 1. PLG点阵输出示例。（2× 2× 2 bcc和zRods）晶格的可视化（a）。具有变化的晶胞拓扑结构和支柱直径以及用于AM制造的添加的支撑件的晶格（b）。为脊柱植入物创建的增材制造保形网格[3]：扭曲的周期性网格，前景中具有低纵横比单元（C）;单元纵横比变化较小的非周期性晶格（D）;以及可制造性的可视化，由各个支柱元件的倾斜角着色（E）。PLG可以快速设计和制造传统CAD软件难以或无法设计的网格结构（图1）。这大大简化了工程师和研究人员在AM中工作的工作流程。使用的例子从最简单的结构（a）到具有不同性质的晶格的组合（b）。对于更复杂的情况，例如适形生物医学植入物（PLG可以提供质量分析并生成制造（e）所需的支撑结构。2. 描述和特点可编程网格生成器（PLG）是一种软件系统，用于生成基于支撑的网格结构的几何形状，用于包括数值模拟和增材制造在内的下游工艺。PLG代码是在MATLAB中开发的，使用了一个自定义的晶格类，其属性与其生成和允许转换和复制的方法有关（图11）。2）的情况。此外，PLG对象可以组合以实现混合结构。最后，PLG类易于扩展，允许子类执行可制造性分析[4-当前PLG几何导出选项为STL和3mf，然后可用于AM。3. 影响概述PLG在[7]中首次使用，并且通过快速和稳健地创建一系列具有不同拓扑结构、大小和相对密度的晶格结构，为多个出版物做出了贡献。使用PLG代码的一些出版物包括：• 介绍了PLG代码的功能，以及与CATIA和Magics软件的性能对比[8]。• PLG用作使用梁元件的定制降阶热模拟的输入[9]。• 增材制造了具有不同单元尺寸、支柱直径和节点球体直径的大范围晶格结构的生成。对横截面进行成像，并研究模拟轴向载荷下的刚度[10]。• PLG已用于生成多个作品的图像和几何图形[11• PLG被用来生成具有五种不同拓扑结构的格。然后，这些被建造并实验性地压缩。然后使用相同的PLG输入生成模拟输入文件，用于解释观察到的失效模式[15]。• 用于制造网格节点位置（从计算机断层扫描数据中提取）的全局和局部配准的自动化代码使用PLG节点连接性数据来匹配设计和制造网格之间的特征[16]。D. 唐宁，M。McMillan，M.Brandt等人软件影响12（2022）1002623图二. 流程图显示了PLG的属性（斜体）和方法（粗体）以及它们如何相互作用。中心圆显示晶格对象所需的属性。而周围的气泡包括用于生成、操纵、分析和导出晶格的其它属性和方法。单位单元库文件（.xml）和晶格几何由PLG读入的文件（.lattice）显示在左侧。PLG的输出显示在右侧，其中包括包含支柱元素统计数据的Excel文件，不同的CAD和FEA选项。4. 软件限制和未来改进在撰写本文时，PLG有以下几个限制：• 以STL格式导出的晶格几何体将每个节点和支柱元素视为单独的组件，而不是这些元素的布尔并集。如果需要，这种布尔运算可以在预处理器中实现，例如Materialise Magics。• 规则晶格可以在PLG软件内生成，前提是它们的单位晶格可以由库内的单位单元或元件的组合构建，然而更不规则、非周期性或共形晶格需要在外部定义节点位置和连通性。未来的改进可以解决STL表示中支柱和节点元素的布尔联合的限制PLG代码导出为3 mf格式，以满足增材制造的特定要求;其他3 mf功能可以在可用时并入代码中。5. 结论PLG是一个强大而高效的代码，用于基于选择的单元格生成规则的晶格几何形状，并具有用于数值模拟和增材制造的导出文件格式代码可以使用实验确定的可制造性范围来检查每个支柱元件的可制造性。该代码已被定期用于支持晶格结构的设计和增材制造的重要研究，直接为多个研究项目和出版物做出贡献。CRediT作者贡献声明大卫唐宁：写作Matthew McMillan：概念化，方法论，软件，数据策展，写作米兰·勃兰特：监督，项目管理，资金获取。马丁·利里：概念化，方法论，监督，写作竞合利益作者声明，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致谢作 者 承 认 使 用 了 RMIT 先 进 制 造 区 内 的 设 施 。 作 者 感 谢 BillLozanovski和Toby Maconachie对用例的讨论这项研究的部分内容由澳大利亚研究委员会增材生物制造工业转型培训中心（IC160100026）资助。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100262上找到。引用[1]T. Maconachie等人，SLM晶格结构：性质，性能，应用和挑战，材料。Des.（2019）108137.[2] I. Gibson等人，增材制造技术，Springer InternationalPublishing，2021。[3] M.A. Leary，增材制造设计，载于：ProQuest，Elsevier，阿姆斯特丹，荷兰，2020年。[4] V. Deshpande，M. Ashby，N. Fleck，泡沫拓扑：弯曲与拉伸主导的 架构，ActaMater。49（6）（2001）1035[5] M. Mazur等人， Ti6Al4V和AlSi12Mg晶格的力学性能通过选择性激光熔化（SLM）制造的结构，在：激光增材制造：材料，设计，技术和应用，Woodhead出版社，2017年，第100页。119-161D. 唐宁，M。McMillan，M.Brandt等人软件影响12（2022）1002624[6] M. Leary等人，选择性激光熔化（SLM）制造的Inconel 625晶格结构：机械性能、变形和失效模式。Mater. Des. 157（2018）179-199.[7] M. McMillan 等 人 ， 用 于 增 材 制 造 的 纳 米 晶 格 生 成 ， 载 于 ： DesTech2015 ，Geelong，Australia，2015，pp. 178-184。[8] M.L. McMillan等人，用于增材制造的计算效率高的网格结构的程序化生成，快速原型。J. 23（3）（2017）486-494。[9] M. McMillan，用于选择性激光熔化的新型热场模拟方法的研究，RMIT大学RMIT增材制造中心，2019年。[10] A. Alghamdi等人，增材制造的晶格缺陷对机械性能的影响：一种 增强晶格几何形状的自动化方法。J. Adv.制造技术（2020）1[11]B. Lozanovski等人，SLM制造的晶格结构中支柱缺陷的计算建模，Mater。Des.（2019年）171.[12] B. Lozanovski等人，一种基于蒙特卡罗模拟的增材制造晶格结构真实建模方法，Addit。制造32（2020）1-21。[13] B. Lozanovski等人，3D打印网格结构中节点的基于图像的几何特征，3D打印。Addit. 制造商8（1）（2021）51[14] B. Lozanovski等人，增材制造晶格结构中节点缺陷的非破坏性模拟，Addit 。（2020）101593.[15] T. Maconachie等人，拓扑结构对SLM AlSi10Mg晶格结构的准静态和动态行为的影响，国际先进制造技术杂志（ 2021年）。[16] A. Almaki等人，无损认证的数字孪生方法 晶格结构，JOM（2022）出版。