Materials：新书推荐——增材制造的设计与应用专题 | MDPI Books

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本期新书推荐为您精选了 Materials 期刊特刊书：增材制造的设计与应用 (Design and Application of Additive Manufacturing) 中的 5 篇文章。特刊书内容涵盖增材制造、制造工艺、设计优化、创新应用，希望能为相关领域学者提供新的思路和参考，欢迎各位学者阅读分享。

Rubén Paz  教授

University of Las Palmas de Gran Canaria, Spain

研究领域：制造工艺、增材制造、设计优化、有限元分析、生物材料和天然纤维应用。

01

The Influence of Shape Changing Behaviors from 4D Printing through Material Extrusion Print Patterns and Infill Densities

4D 打印的形状变化行为对材料挤出打印图案和填充密度的影响

Edited By Seokwoo Nam and Eujin Pei

https://www.mdpi.com/807422

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四维打印 (4DP) 是一种使用形状记忆材料 (SMM) 和增材制造 (AM) 工艺，来生产可在确定的时间内变形打印部件的方法。本研究探讨了作为形状记忆聚合物 (SMP) 的聚乳酸 (PLA) 如何通过操纵材料挤出的构建参数进行编程。在这项研究中，根据打印图案、填充密度和恢复温度 (Tr) 的影响，采用水浴实验来展示打印部件的弯曲形状恢复和形状恢复速度的结果。就印刷图案的影响而言，填充密度为 100% 的"Quarter-cubic"图案表现出最好的恢复效果；填充密度为 20% 的“线”图案显示出最差的恢复结果；填充密度为 20% 的“立方细分”模式表现出最短的恢复时间；填充密度为 100% 的“同心”模式表现出最长的恢复时间。研究表明，高温和高填充密度提供了更好的恢复，而低温和低填充密度导致了较差的恢复。

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原文出自 Materials 期刊

Nam, S.; Pei, E. The Influence of Shape Changing Behaviors from 4D Printing through Material Extrusion Print Patterns and Infill Densities. Materials 2020, 13, 3754. 

02

Novel Calibration Strategy for Validation of Finite Element Thermal Analysis of Selective Laser Melting Process Using Bayesian Optimization

使用贝叶斯优化验证选择性激光熔化过程有限元热分析的新校准策略

Edited by Masahiro Kusano, Houichi Kitano and Makoto Watanabe

https://www.mdpi.com/1250848

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选择性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 通过在一层薄薄的金属粉末上扫描集中的高功率激光束以将其熔化和固化，从而产生近净形的产品。在 SLM 过程中，材料温度周期性地急剧上升和下降。使用有限元方法进行热分析有助于了解影响微观结构、材料特性和性能的复杂热历史。本文提出了一种新的热源模型校准策略来验证热分析。首先，实验通过高速热成像进行原位温度测量以进行吸收率校准；随后通过实验观察和模拟处理横截面珠子形状图像来定义精确的模拟误差。为了最大限度地减少误差，研究人员通过贝叶斯优化有效地找到了热源模型的最佳形状参数。贝叶斯优化使研究人员能够在 50 次热模拟迭代中找到误差小于 4% 的最佳参数。这表明该研究中所使用的新贝叶斯优化校准策略可以有效地提高 SLM 过程中预测温度场的准确性，并节省热源模型优化的计算成本。

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原文出自 Materials 期刊

Kusano, M.; Kitano, H.; Watanabe, M. Novel Calibration Strategy for Validation of Finite Element Thermal Analysis of Selective Laser Melting Process Using Bayesian Optimization. Materials 2021, 14, 4948. 

03

Topology Optimisation for Compliant Hip Implant Design and Reduced Strain Shielding

顺应性髋关节植入物设计和减少应变屏蔽的拓扑优化

Edited By Nathanael Tan and Richard J. van Arkel

https://www.mdpi.com/1375566

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僵硬的全髋关节置换术植入物会导致应变屏蔽、骨质流失和复杂的翻修手术。本研究旨在开发拓扑优化技术，以实现更顺应的髋关节植入物设计。作者采用带罚分的固体各向同性材料 (SIMP) 方法，设计和增材制造了两个髋关节柄：基于随机多孔结构的柄，以及选择性挖空方法。作者进行了有限元分析和实验测量以测量阀杆刚度并预测应力屏蔽的减少。与实心植入物相比，选择性挖空的植入物可将植入物周围的股骨表面应变增加多达 25 个百分点，而不会影响预期强度。尽管设计存在明显差异，但实验测量的两种优化后的假体的刚度结果几乎相同，与实心植入物相比，多孔假体和选择性挖空假体的等效刚度分别降低了 39% 和 40%。选择性挖空的植入物的内部结构与股骨中的骨小梁结构有着惊人的相似之处，这也暗示了自然设计过程和拓扑优化之间的内在一致性。开发的拓扑优化过程可实现合规的髋关节植入物设计，以实现更自然的负载转移、减少应变屏蔽和提高植入物存活率。

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原文出自 Materials 期刊

Tan, N.; van Arkel, R.J. Topology Optimisation for Compliant Hip Implant Design and Reduced Strain Shielding. Materials 2021, 14, 7184.

04

Comparison of CAD and Voxel-Based Modelling Methodologies for the Mechanical Simulation of Extrusion-Based 3D Printed Scaffolds

基于 CAD 和基于体素的建模方法在基于挤出的 3D 打印脚手架的机械仿真中的比较

Edited By Gisela Vega et al.

https://www.mdpi.com/1292824

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多孔结构在组织工程中扮演非常重要的角色。大多数支架都是 3D 打印进行，但没有单一的方法来模拟这些打印部件并应用有限元分析来估计它们的机械行为。在这项工作中，对基于体素和基于几何的建模方法在计算效率、尺寸精度和打印部件的机械行为预测方面进行了定义和比较。在将模型的体积和尺寸与理论值和实验值进行比较后，它们更接近于理论值，因为它们没有考虑打印温度引起的尺寸变化。这些变化同时也影响了对机械行为的预测，与现实相比缺乏准确性，但可以确定哪种几何形状更硬。在建模方法的比较方面，基于过程效率、基于几何的建模对于简单或较大的零件表现更好，而基于体素的建模对于小而复杂的几何更有利。

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原文出自 Materials 期刊

Vega, G.; Paz, R.; Gleadall, A.; Monzón, M.; Alemán-Domínguez, M.E. Comparison of CAD and Voxel-Based Modelling Methodologies for the Mechanical Simulation of Extrusion-Based 3D Printed Scaffolds. Materials 2021, 14, 5670. 

05

Flexible Pressure Sensor with Micro-Structure Arrays Based on PDMS and PEDOT:PSS/PUD&CNTs Composite Film with 3D Printing

具有基于 PDMS 和 PEDOT：PSS/PUD&CNTs 复合膜的微结构阵列的柔性压力传感器与 3D 打印

Edited By Yiwei Shao et al

https://www.mdpi.com/1335666

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柔性压力传感器被广泛应用于不同领域，特别是在人体运动、机器人监控和医疗等领域。在此，一种由平面顶板和微结构底板的柔性压力传感器被研发出来。两块板均由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 通过 3D 打印模板模制而成。顶板和底板的接触表面涂有聚 (3,4-乙烯二氧噻吩) 聚 (苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS) 和聚氨酯分散体 (PUD) 的混合物作为可拉伸薄膜电极，电极表面有碳纳米管。通过采用 3D 打印技术，使用数字光处理 (DLP)，传感器的制造成本低且速度快。首先，作者通过有限元法 (FEM) 对不同微结构的传感器模型进行分析，其后对模型进行制作和测试。具有 5 × 5 个半球的传感器在 0~22.2 kPa 范围内的灵敏度为 3.54 × 10~3 S/kPa，零温度系数为 −0.0064% FS/°C。耐久性测试进行了 2000 次循环，在整个测试过程中保持稳定。这项工作代表了柔性压力传感方面的技术进步，并展示了 3D 打印技术在传感器处理中的优势。

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原文出自 Materials 期刊

Shao, Y.; Zhang, Q.; Zhao, Y.; Pang, X.; Liu, M.; Zhang, D.; Liang, X. Flexible Pressure Sensor with Micro-Structure Arrays Based on PDMS and PEDOT:PSS/PUD&CNTs Composite Film with 3D Printing. Materials 2021, 14, 6499.

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https://www.mdpi.com/books/book/6001

  Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

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