Phương pháp thiết kế mới hứa hẹn mở ra xu thế chế tạo sản phẩm thế hệ mới
Những phương pháp thiết kế tối ưu vật liệu có kết cấu xốp vẫn thường được áp dụng có một nhược điểm là đòi hỏi dung lượng máy tính và thời gian tính toán lớn. Tuy nhiên, một cách tiếp cận hoàn toàn mới của giáo sư Nguyễn Xuân Hùng và cộng sự tại Viện Công nghệ liên ngành (trường Đại học Công nghệ TPHCM) thông qua công bố “Adaptive Concurrent Topology Optimization of Cellular Composites for Additive Manufacturing (Tối ưu tôpô đồng thời thích nghi của các vật liệu tế bào ứng dụng trong công nghệ in 3D) xuất bản trên JOM, một tạp chí thuộc nhóm Q1 của nhà xuất bản Springer, đã làm thay đổi điều đó.
Đại diện Viện Công nghệ liên ngành (trường Đại học Công nghệ TPHCM) giới thiệu sản phẩm quạt không cánh, một ứng dụng từ nghiên cứu của Viện, với Thứ trưởng Bộ KH&CN Trần Văn Tùng tại Hội thảo & triển lãm Thương mại hóa công nghệ năm 2016. Nguồn: vtc.vn
Trong thời gian gần đây, việc thiết kế tối ưu vật liệu xốp thường dựa trên kĩ thuật đồng nhất hóa vật liệu của các cấu trúc vi mô. Phương pháp này hiệu quả nhưng cũng có một số nhược điểm là cần phải chia rất tinh tế lưới trong mô hình tính toán phần hữu hạn, phân tích phần tử hữu hạn và cập nhật biến thiết kế ở cả hai cấp độ vĩ mô và vi mô. Ngoài ra, cần phải thêm vào một số ràng buộc về kết nối giữa các cấu trúc vi mô và ràng buộc về thể tích vật liệu trong mỗi cấu trúc vi mô. Do đó, khi áp dụng các phương pháp này, máy tính cần phải có khả năng xử lý dung lượng lớn cũng như mất nhiều thời gian tính toán. Thông thường, thời gian cho một thiết kế chạy trên máy tính cá nhân là hàng giờ cho tới hàng chục giờ, tùy thuộc vào kích thước của bài toán thiết kế, thậm chí không thực hiện được cho các bài toán ứng dụng đòi hỏi độ phức tạp cao.
Trong công trình mới, giáo sư Nguyễn Xuân Hùng đã đề xuất một cách tiếp cận mới về thiết kế và chế tạo theo công nghệ in 3D cho các vật liệu có dạng cấu trúc giống như cấu trúc của vật liệu tế bào hay vật liệu xốp trong tự nhiên, ví dụ như cấu trúc của tổ ong hay cấu trúc của xương người… So với nhiều dạng vật liệu khác thì vật liệu xốp có các đặc tính quan trọng như độ bền và độ ổn định so với trọng lượng bản thân cao, khả năng hấp thụ âm thanh tốt, khả năng chống va đập tốt, và cho phép khuếch tán chất lỏng qua nó – vốn rất cần thiết trong kĩ thuật cấy ghép xương trong y học,…
Cách tiếp cận mới dựa trên một kĩ thuật tính toán mới với việc mô hình hóa các thành phần hình học thích nghi mà không cần thiết dùng đến kĩ thuật đồng nhất hóa vật liệu và các ràng buộc kết nối hay ràng buộc thể tích vật liệu của các cấu trúc vi mô. Các thành phần hình học thích nghi bao gồm hai lớp: một lớp mô tả tổng thể kết cấu tức là cấu trúc vĩ mô và một lớp khác mô tả cấu trúc vật liệu, tức là cấu trúc vi mô.
Để làm được việc này, các tác giả đã tối ưu kết cấu một cách đồng thời ở cả hai cấp độ vĩ mô và cấp độ vi mô. Họ tối ưu các tham số hình học của các thành phần hình học thích nghi thông qua việc phân tích phần hữu hạn và cập nhật biến thiết kế mới một lần cho mỗi vòng lặp tối ưu trên một hệ lưới phần hữu hạn thô. Kết quả là, khi áp dụng phương pháp này, thời gian dành cho mỗi thiết kế không chỉ giảm xuống chỉ khoảng vài phút chạy trên máy tính mà còn không đòi hỏi máy tính phải có dung lượng xử lý lớn.
Về tổng thể, sự kết hợp giữa phương pháp tối ưu tôpô đồng thời thích nghi với kĩ thuật in 3D có thể cho phép thiết kế và chế tạo các kết cấu dạng xốp phức tạp với chi phí thấp. Nó hứa hẹn trở thành một xu thế về thiết kế và chế tạo sản phẩm không thể thiếu được trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.
Mặt khác, việc áp dụng kết hợp giữa phương pháp tối ưu tôpô đồng thời thích nghi của các vật liệu tế bào sẽ với học máy (machine learning) sẽ còn giúp đánh giá, truy xuất nhanh các mẫu thiết kế tối ưu cho in 3D.
