Βελτιστοποίηση γεωμετρίας τρισδιάστατα εκτυπωμένων δικτυωτών δομών με χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης ; Topology optimization of 3D printed lattice structures using machine learning algorithms

Η ραγδαία πρόοδος της τεχνολογίας των τελευταίων δεκαετιών έχει ως αποτέλεσμα την απαίτηση υλικών με βελτιωμένη απόδοση και μηχανική συμπεριφορά, καθώς και ιδιότητες που δε συναντώνται στα συνηθισμένα υλικά της φύσης. Λύση έρχεται να δώσει μία νέα κατηγορία υλικών, οι δικτυωτές δομές. Η σχεδιαστική ελευθερία που τις διακρίνει τους προσδίδει έντονα στοιχεία ευελιξίας, με δυνατότητα επίτευξης ασυνήθιστων ιδιοτήτων, προσαρμοσμένες στην εκάστοτε εφαρμογή. Η ελευθερία αυτή όμως, δημιουργεί παράλληλα το πρόβλημα εύρεσης του κατάλληλου μοντέλου δικτυωτής δομής για την κάθε περίπτωση. Οι πολλές μεταβλητές σχεδιασμού και η δυνατότητα συνδυασμού τους για δημιουργία πολλαπλών διαφορετικών μοντέλων δημιουργούν μία αχανή εικόνα στον μηχανικό. Η μηχανική μάθηση και συγκεκριμένα οι εξελικτικοί αλγόριθμοι μπορούν να αντιμετωπίσουν σε μεγάλο βαθμό το εμπόδιο αυτό. Μέσω της εξέτασης πιθανών μοντέλων προσφέρουν τη δυνατότητα βελτιστοποίησης και την εύρεση της δομής που ικανοποιεί περισσότερο τις απαιτήσεις του προβλήματος. Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζεται η τοπολογική βελτιστοποίηση δικτυωτών δομών που υπόκεινται σε θλιπτικά φορτία, μέσω του αλγορίθμου στρατηγικής εξέλιξης Προσαρμογής του Μητρώου Συνδιακύμανσης (CMA-ES). Πραγματοποιήθηκαν δύο διαφορετικές βελτιστοποιήσεις, η πρώτη με έμφαση στη μείωση του λόγου μάζα προς αντοχή, ενώ η δεύτερη του λόγου μάζα προς ανθεκτικότητα. Η διαδικασία περιέλαβε τη χρήση των προγραμμάτων nTopology (τρισδιάστατος σχεδιασμός δομής) και Abaqus (προσομοίωση θλίψης). Ο συνδυασμός και η επικοινωνία του αλγορίθμου με τα προγράμματα πραγματοποιήθηκε με χρήση κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού Python. Για κάθε βελτιστοποίηση πραγματοποιήθηκαν 10 επαναλήψεις, εξετάζοντας 4 υποψήφια μοντέλα σε κάθε μία. Τέλος, το βέλτιστο μοντέλο εκτυπώθηκε σε 3D εκτυπωτή και υποβλήθηκε σε πείραμα θλίψης για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων. Και οι δύο βελτιστοποιήσεις εξήγαγαν το ίδιο μοντέλο ως βέλτιστο (δομή με κυψελίδα Iso-truss, διάσταση πλευράς κυψελίδας 8,333mm και πάχος ραβδών 2mm). Παρατηρήθηκε αύξηση της αντοχής ...