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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目: 3D打印飛機(jī)零件支撐設(shè)計(jì)3D打印飛機(jī)零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要:3D打印技術(shù)備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注,快速發(fā)展為一種趨勢(shì),同樣的傳統(tǒng)的制造行業(yè)面臨這巨大變化。在航空航天方向,高強(qiáng)度、耐高溫、精度高飛行器的設(shè)計(jì)需求針對(duì)飛行器設(shè)計(jì)及制造工藝要求更高,特別是大尺寸,復(fù)雜結(jié)構(gòu)多的零部件,然而3D打印技術(shù)整體化制造技術(shù)特別適合制造大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件及定制的變批量零件。相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù),3D打印技術(shù)有著其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)間過長(zhǎng),總是超出生產(chǎn)周期,難以滿足優(yōu)化的設(shè)計(jì),基于這些問題針對(duì)飛機(jī)零件的布局及零件所含元素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),已達(dá)到減少材料損耗,制造費(fèi)用少及剛度、強(qiáng)度等要求,采用優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著對(duì)飛機(jī)零件制造工藝要求的提高,目前制造行業(yè)尤其關(guān)注3D打印技術(shù),根據(jù)飛機(jī)零部件的制造要求,使用3D打印技術(shù)制造零件。本文介紹3D打印技術(shù)的成型特點(diǎn),說明3D打印技術(shù)研究目標(biāo)及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,最后從零件結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、制造時(shí)間及成本等方面進(jìn)行案例分析,求出最佳3D打印方式。關(guān)鍵詞:3D打印飛機(jī)零件優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師簽名:OptimizedDesignof3DPrintingAircraftPartsAbstract:3Dprintingtechnologyhasattracteddomesticandinternationalattention,therapiddevelopmentofatrend,thesametraditionalmanufacturingindustryisfacingthisgreatchange.Intheaerospacedirection,highstrength,hightemperature,highprecisionaircraftdesignrequirementsforaircraftdesignandmanufacturingprocessrequirementsarehigher,especiallylargesize,complexstructureandmoreparts,butthe3DprintingtechnologyintegratedmanufacturingtechnologyisparticularlysuitableformanufacturingLargesize,complexstructuralpartsandcustomvariableparts.Comparedtotraditionalmanufacturingtechnology,3Dprintingtechnologyhasitsuniqueadvantages.Thedesignofthecurrentaircraftistoolong,alwaysbeyondtheproductioncycle,itisdifficulttomeettheoptimaldesign,basedontheseproblemsfortheaircraftpartslayoutandpartscontainedintheoptimizationdesign,hasachievedmaterialloss,lessmanufacturingcostsandstiffness,strengthRequirements,usingoptimizeddesign.Withtheincreaseinaircraftpartsmanufacturingprocessrequirements,themanufacturingindustryisparticularlyconcernedaboutthe3Dprintingtechnology,accordingtotheaircraftpartsmanufacturingrequirements,theuseof3Dprintingtechnologymanufacturingparts.Thispaperintroducestheformingcharacteristicsof3Dprintingtechnology,illustratestheresearchgoalandoptimizationdesignof3Dprintingtechnology.Finally,thebest3Dprintingmethodisobtainedfromtheaspectsofstructuralfeatures,structuralstability,manufacturingtimeandcost.Keywords:3DprintingaircraftpartsoptimizationdesignSignatureofSupervisor:目錄TOC\o"1-3"\h\u191891.緒論 1267771.1引言 153621.2課題背景 2147991.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3246881.4研究目標(biāo)和內(nèi)容 5133322.3D打印飛機(jī)零件設(shè)計(jì)方案 633272.1設(shè)計(jì)任務(wù)分析 6182762.2零件設(shè)計(jì) 6180972.2.1建模工具 69032.2.2零件建模 726242.3模型的切片 8138472.4支撐設(shè)計(jì)規(guī)則 12193252.5確定制造最優(yōu)方向 13301373.案例分析與研究 15225723.1最優(yōu)打印方向 15276603.2最優(yōu)模型 1888823.3三維打印優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 21317714.總結(jié)與展望 2915172參考文獻(xiàn) 304435致謝 31 緒論1.1引言隨著工業(yè)革命的不斷變革,工業(yè)一體化現(xiàn)象越來越來明顯,人們對(duì)生活品質(zhì)要求變高,因此對(duì)產(chǎn)品的觀賞性和復(fù)雜性需求不斷提高,反而對(duì)部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,用傳統(tǒng)的制造模式無(wú)法直接加工制造這些產(chǎn)品,只能分別加工產(chǎn)品的零部件,制造好后運(yùn)用合理的裝配組合得到該產(chǎn)品,但是制造出來的產(chǎn)品整體的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、精準(zhǔn)度都有一定的缺陷。傳統(tǒng)的制造模式是一個(gè)減材制造過程,耗費(fèi)大量材料,不便于節(jié)省生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的成型模具加工,它是一種快速成型技術(shù),利用數(shù)字化模型,運(yùn)用一些簡(jiǎn)便材料,便可以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的復(fù)雜產(chǎn)品,不用大批工裝設(shè)備等來制造便可以完成任務(wù),適合單件零件制造,避免模具零件浪費(fèi)。3D打印技術(shù)是一種創(chuàng)新的加工工藝技術(shù),稱作“增材制造技術(shù)”或“堆積成型技術(shù)”。該技術(shù)運(yùn)用了離散堆積基本原理,建立3D模型,對(duì)不同要求的工藝產(chǎn)品,運(yùn)用合適厚度對(duì)打印零件進(jìn)行分層,將3D數(shù)字模型切片成層層2D模型,對(duì)2D模型的曲線結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印。然后處理所應(yīng)用的數(shù)據(jù),代入零件參數(shù),形成數(shù)控編程代碼,在數(shù)控系統(tǒng)下,實(shí)現(xiàn)從線到面,從面到體的連續(xù)加工過程,層層堆積薄片過程,制造出整體式結(jié)構(gòu)零件,常應(yīng)用3D打印技術(shù)如表1-1。表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s113D打印類型類型成型技術(shù)基本材料支撐結(jié)構(gòu)材料形態(tài)擠壓熔融沉積式成型熱塑性塑料,共晶系統(tǒng)金屬有絲狀粒狀直接金屬激光燒結(jié)幾乎合金無(wú)粉末狀電子束熔化成型鈦合金無(wú)選擇性激光熔化成型鈦合金、不銹鋼、鋁無(wú)選擇性熱燒結(jié)熱塑性粉末無(wú)選擇性激光燒結(jié)熱塑性塑料、金屬陶瓷粉末無(wú)層壓分層實(shí)體制造紙、金屬膜、塑料薄膜無(wú)薄膜狀光聚合立體平板印刷光硬化樹脂無(wú)液態(tài)1.2課題背景工業(yè)革命促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展很大程度上提高勞動(dòng)效率,是產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高,3D打印對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生巨大影響,很大程度上滿足制造工藝的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)的完整性。目前很多行業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù),減少傳統(tǒng)制造業(yè)所需求的勞動(dòng)力、設(shè)備成本,工人技術(shù),生產(chǎn)車間流程等,3D技術(shù)在這些領(lǐng)域得到廣闊的發(fā)展機(jī)會(huì)。從市場(chǎng)前景和需求來講,3D打印技術(shù)開發(fā)潛力很大,但對(duì)中國(guó)而言不容樂觀,雖然國(guó)內(nèi)3D打印企業(yè)瘋狂發(fā)展,但是企業(yè)收的利潤(rùn)卻很少,很多企業(yè)沒有辦法繼續(xù)經(jīng)營(yíng),何況,與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比,國(guó)內(nèi)技術(shù)還只是在初級(jí)階段,而且有關(guān)零件的核心內(nèi)容基本沒有。在制造行業(yè),我國(guó)雖不可能是主導(dǎo)者,但是我國(guó)自主創(chuàng)新和學(xué)習(xí)國(guó)外經(jīng)驗(yàn),3D打印問題需要解決。國(guó)外針對(duì)3D打印技術(shù)研究比較深入,針對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化研究,獲取較好打印方式。研發(fā)自主的軟件系統(tǒng),配用不同型號(hào)的3D打印機(jī),滿足各領(lǐng)域的產(chǎn)品要求。國(guó)內(nèi)對(duì)3D打印優(yōu)化模型太少,模型得不到較好優(yōu)化,模型打印方向則需要的材料和規(guī)?;杀驹黾?,那么3D打印技術(shù)將很難發(fā)展下去。即使3D打印技術(shù)在飛機(jī)零件制造領(lǐng)域已得到應(yīng)用,該技術(shù)同樣也有很多優(yōu)勢(shì)沒有展現(xiàn)出來。雖然很大一部分的研究所針對(duì)3D打印技術(shù)展開研究及得到零件的實(shí)用性,但是幾乎沒有實(shí)用的航空零件。根據(jù)這些案例總結(jié)出如下幾點(diǎn):第一飛機(jī)原有的零件模型理論已經(jīng)是長(zhǎng)期研究出來的,突然零件模型運(yùn)用3D打印技術(shù)加工沒有明顯效果而且會(huì)出現(xiàn)很多問題;第二目前3D打印原材料要求多并且材料價(jià)格貴,加工零件的材料種類不多,相較于其他制造的材料還是相差很大,飛機(jī)零件對(duì)材料性能要求相當(dāng)苛刻,目前還沒找到合適相對(duì)應(yīng)的材料;第三雖然3D打印技術(shù)逐步進(jìn)入市場(chǎng)并且未來發(fā)展快,但是存在很多社會(huì)悖論,可能初期問題不大往往被忽略了,猶如克隆一樣,那么美好的事物也不會(huì)被人們認(rèn)可;第四3D打印技術(shù)還沒有成熟并且相關(guān)技術(shù)人員比較少,針對(duì)3D打印技術(shù)還有很長(zhǎng)的一段研究過程,導(dǎo)致在各行業(yè)內(nèi)應(yīng)用還是存在一定的危險(xiǎn)性。本課題研究是一種3D打印優(yōu)化設(shè)計(jì)的飛機(jī)零件,來滿足飛機(jī)零件整體制造。增材制造比傳統(tǒng)制造容易加工含有復(fù)雜元素的幾何零件,符合零件設(shè)計(jì)要求以確??芍圃煨?。根據(jù)確定的增材制造規(guī)則的設(shè)計(jì),修改理論提出相關(guān)的方法完成最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),成功實(shí)現(xiàn)制造零件模型,來保證制造的可能性且不需要多余的支撐材料。通過比較計(jì)算所設(shè)計(jì)的飛機(jī)零件的可制造方向所花費(fèi)制造時(shí)間、材料質(zhì)量和制造成本,來確定最佳制造方向。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印技術(shù)的研究來看,3D打印技術(shù)的研究為制造領(lǐng)域提供一個(gè)很大便利。在應(yīng)用行業(yè)內(nèi),3D打印應(yīng)用廣泛行業(yè)有日常工藝品、交通類、醫(yī)療、教學(xué)儀器、航空航天、建筑業(yè)等,國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)發(fā)展迅速,考慮行業(yè)內(nèi)成本、材料等問題,為了改技術(shù)得到更好應(yīng)用,正在逐步完善。3D打印技術(shù)為航空工業(yè)產(chǎn)品制造提供一個(gè)優(yōu)勢(shì),很大程度上可以解決減輕零件重量、減少制造時(shí)間、提高材料利用率、節(jié)省成本等。飛機(jī)零件的輕質(zhì)零件、曲線結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件優(yōu)化設(shè)計(jì)為3D打印應(yīng)用層面提供了一個(gè)很好的方案。(1)3D打印技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀從20世紀(jì)90年代初期,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)劃了3D打印技術(shù)發(fā)展路徑。最初美國(guó)針對(duì)快速成型制造技術(shù)研究,美國(guó)著名研究單位針對(duì)該技術(shù)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、試用等一系列研究措施,完成工業(yè)革命行程。美國(guó)14所各州知名高校、40多家企業(yè)單位和相關(guān)協(xié)會(huì)攜手創(chuàng)辦3D打印技術(shù)研究單位,大力發(fā)展增材制造技術(shù)。相較于美國(guó),其他一些國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相繼采取措施,德國(guó)創(chuàng)辦主要研究3D打印技術(shù)在航空航天行業(yè)零件優(yōu)質(zhì)化等的實(shí)驗(yàn)中心;英國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)加大研究投資,在各大高校創(chuàng)辦實(shí)驗(yàn)研究中心,便于新一代的年輕人接觸該技術(shù)。雖然美國(guó)領(lǐng)先掌握3D打印技術(shù),但是歐盟搶先獲得政府及各高校研究中心的支持。美國(guó)的政府投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐盟,如英國(guó)的快速成型制造中心、歐盟的航空航天第六框架計(jì)劃工程,國(guó)外自主研發(fā)增材制造技術(shù),改變航空領(lǐng)域整體零件難以制造的面貌。美國(guó)為完成鈦合金零件生產(chǎn)工程運(yùn)用激光增材制造技術(shù)。相比于傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)利用率提高,如此以來F-15噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金翼肋制造技術(shù)采用3D打印尤為合適,傳統(tǒng)制造的翼肋強(qiáng)度結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,風(fēng)險(xiǎn)性高,沒有辦法滿足飛機(jī)的飛行性能要求。美國(guó)對(duì)增材制造劃分成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)材料、制造工藝、增材制造組和產(chǎn)品價(jià)值鏈,并且制定2013-2020年的發(fā)展工作流程。3D打印將成為美國(guó)國(guó)防制造零部件的重要技術(shù),從打印的飛機(jī)、火箭的零件裝配使用后,零件應(yīng)用效果滿足飛機(jī)的飛行性能??湛凸镜腁350XWB飛機(jī)使用了1000多個(gè)3D打印的零件,提高生產(chǎn)效益。羅·羅公司順利試飛了應(yīng)用增材制造的發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)(圖1-1),保證交貨時(shí)間、節(jié)省原材料、零件質(zhì)量等。隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)大,三維打印的模型應(yīng)用在航空航天上,采用不同的建模技術(shù),主要考查零件模型的幾何元素、加工精度、性能要求,有關(guān)3D打印零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)理論不斷提出,3D打印技術(shù)在歐美國(guó)家應(yīng)用前景好。圖STYLEREF1\s1-SEQ圖\*ARABIC\s113D打印發(fā)動(dòng)機(jī)零件(2)3D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國(guó),由于各種客觀因素的存在,3D打印技術(shù)的研究開發(fā)相較于國(guó)外發(fā)展晚。然而在國(guó)家政府大力幫助下,相關(guān)研究所和某些高校研究3D打印零部件。在20世紀(jì)末,清華大學(xué)開發(fā)熔融沉積成型技術(shù),研發(fā)新型工藝設(shè)備。北京航空航天大學(xué)成功開發(fā)鈦合金的飛機(jī)零部件激光熔快速成型制造工藝技術(shù),加工TC4、TA15、TC2等鈦合金抗高溫、抗疲勞強(qiáng)度等鈦合金達(dá)到制造要求。TA15鈦合金角盒、座艙座椅支撐座等零件采用快速成型加工,順利應(yīng)用在各類飛機(jī)上。鈦合金是飛機(jī)上重要的零件材料主要特點(diǎn)是密度小、耐熱性高、強(qiáng)度高。采用傳統(tǒng)的車銑、鑄造等工藝加工該類零件時(shí),加工后殘次品居多,浪費(fèi)毛坯材料多。在制造流程中,大概切削或損壞90%的鈦合金毛坯材料,這樣導(dǎo)致制造一架飛機(jī)的成本相當(dāng)高。還有一點(diǎn)尤其注意3D打印技術(shù)不用專用模具,制造成本降低,制造零件節(jié)省人力材料。中國(guó)采用3D打印技術(shù)加工飛機(jī)起落架、飛機(jī)翼梁、機(jī)身框架并且裝配試用很成功。曾經(jīng)飛機(jī)設(shè)計(jì)師孫聰描述J-15的起落架是由國(guó)內(nèi)3D打印制造出來的,輕質(zhì)材料的應(yīng)用滿足艦載機(jī)的飛行性能。西北工業(yè)大學(xué)成功研發(fā)激光立體成型3D打印機(jī),可以制造和修復(fù)外形大而復(fù)雜的飛機(jī)零件,特別是第一架國(guó)內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)路線大客機(jī)C919的超長(zhǎng)承載的鈦合金翼梁如圖1-2。圖STYLEREF1\s1-SEQ圖\*ARABIC\s12C919客機(jī)(3)3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)3D打印技術(shù)是在工業(yè)革命路上提出來的,改變?cè)瓉淼闹圃炷J綄?shí)現(xiàn)工業(yè)革命的新面貌。3D打印完成航空制造中大而復(fù)雜構(gòu)建制造,可以完成整體構(gòu)建一體化,減少零件數(shù)目和裝配零件額外質(zhì)量,是整體飛機(jī)質(zhì)量減少,裝配連接應(yīng)力集中減少,承受載荷強(qiáng)度增加,提高飛機(jī)制造經(jīng)濟(jì)效益。雖然3D打印飛機(jī)零件技術(shù)應(yīng)用不多,針對(duì)整體復(fù)雜制造零件和單件制造較多,但是生產(chǎn)成本低,制造時(shí)間短,收益快,達(dá)到飛機(jī)性能要求快,只要解決零件設(shè)計(jì)和材料限制等幾個(gè)主要問題,就會(huì)快速發(fā)展3D打印飛機(jī)一體化。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步,制造零件工藝成功率高。只要3D打印解決整體材料、零件模型優(yōu)化和支撐技術(shù)等問題,就可以大面積應(yīng)用于民機(jī)和軍機(jī)上??湛凸绢A(yù)想運(yùn)用3D打印技術(shù)發(fā)展民機(jī),構(gòu)想蜂窩式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制造整體化機(jī)體,外框運(yùn)用其他材料透明填充,使民機(jī)機(jī)體從里往外可觀看全程面貌??傊鉀Q3D打印的支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型優(yōu)化等核心技術(shù),應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。1.4研究目標(biāo)和內(nèi)容目標(biāo):通過實(shí)際飛機(jī)零件的應(yīng)用要求,從理論上對(duì)飛機(jī)零件模型進(jìn)行設(shè)計(jì),并且用飛機(jī)零件模型應(yīng)用切片軟件,從理論上分析在對(duì)應(yīng)狀態(tài)的材料用量、穩(wěn)定性,隨著打印角度變化,成本及時(shí)間變化,得出最佳打印方向,然后在該方向下,對(duì)飛機(jī)零件模型進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì),分析優(yōu)化后模型,最后獲得優(yōu)化后的飛機(jī)零件模型。本文研究的內(nèi)容圍繞一下幾個(gè)方面展開:收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料,對(duì)目前采用3D打印技術(shù)的飛機(jī)零件發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行整理歸納。從零件模型出發(fā),模型含有各類元素直線、曲線、角度、缺口等,針對(duì)這些元素對(duì)零部件進(jìn)行三維建模。對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模型,利用切片軟件進(jìn)行支撐設(shè)計(jì),支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨位置變化而變化,模擬制造模型得出材料用量、制造時(shí)間和制造成本,進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析,通過比較得出最佳支撐方向。在最佳的支撐方向下,對(duì)原有飛機(jī)零件模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),比較分析支撐用量和制造時(shí)間,得出最優(yōu)飛機(jī)零件模型。根據(jù)3D打印飛機(jī)零件的要求,設(shè)計(jì)方案主要解決以下幾個(gè)問題:零件模型,飛機(jī)零件很多,但是大部分包括平面、曲面有無(wú)缺口等,所以根據(jù)其特點(diǎn)可以抽象設(shè)計(jì)三維零件模型。切片方向,3D打印技術(shù)里支撐方向不同,支撐材料用料直接影響制造的成本,從不同角度模擬分析設(shè)計(jì)的零件,得到最佳打印方向。優(yōu)化零件模型,利用三維軟件對(duì)原模型進(jìn)行角度內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,采用切片軟件模擬優(yōu)化后的模型,然后對(duì)材料質(zhì)量成本分析比較,獲取最佳模型。2.3D打印飛機(jī)零件設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)書的設(shè)計(jì)要求及3D打印飛機(jī)零件設(shè)計(jì)的相關(guān)要求,在整體的設(shè)計(jì)中,理想化模型的幾何結(jié)構(gòu)、特征元素,零件模型從設(shè)計(jì)二維模型,后經(jīng)過拉伸、挖空、倒圓等獲得三維模型,模型所含特征平面、曲面、柱面等,設(shè)計(jì)模型保證能反映飛機(jī)大部分零件特點(diǎn)。然后對(duì)設(shè)計(jì)模型增材制造,模擬出3D打印模型的加工參數(shù)結(jié)果。通過一系列的角度變化,支撐材料分布不同,比較分析所得結(jié)果,創(chuàng)新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。由于增材制造的設(shè)計(jì)包括最小特征尺寸、允許制造的傾斜角度相關(guān)要求,通常使用支撐材料來實(shí)現(xiàn)傾斜角度,支撐材料填充可擴(kuò)展幾何的包絡(luò)體,所造成不同方向上的制造費(fèi)用和時(shí)間不同。本文根據(jù)對(duì)增材的制造約束條件,從理論上修改設(shè)計(jì)零件模型,減少支撐材料用量。通過評(píng)估分析所新設(shè)計(jì)模型的相關(guān)的制造時(shí)間、零件質(zhì)量和制造費(fèi)用。2.2零件設(shè)計(jì)2.2.1建模工具本課題設(shè)計(jì)零件模型的三維圖的建立使用CATIA進(jìn)行繪制。CATIA(ComputerAidedThree-dimensionalInteractiveApplication)是法國(guó)達(dá)索公司出品的一種廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和其他工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和工程分析的一體化軟件,是研發(fā)新產(chǎn)品的CAD/CAE/CAM的系統(tǒng)軟件。由于CATIA擁有眾多模塊和功能,本次建模過程采用的模塊主要零件設(shè)計(jì)模塊及工程制圖,使用軟件的版本號(hào)為CATIAV5R20。本課題設(shè)計(jì)零件模型進(jìn)行切片支撐的添加,利用一款可以自動(dòng)或者手動(dòng)添加支撐,支持多模型打印,預(yù)覽打印過程,設(shè)置各種打印參數(shù)的3D打印軟件是Simplify3D。選擇不同打印材料、支撐大小及最大懸空角度,預(yù)覽模型的支撐結(jié)構(gòu),本次添加支撐結(jié)構(gòu),預(yù)覽打印模型,分析本設(shè)計(jì)模型的制造參數(shù)。切片外部填充模式選擇網(wǎng)格模式。如下圖2-1建模過程。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s11(1)建模 (2)切片(3)成型2.2.2零件建模本課題把重心放在熔融沉積建模(FDM)上,它可以制造規(guī)模大且復(fù)雜模型,雖然只介紹了單個(gè)零件模型,但是相關(guān)結(jié)果可以同其他零件模型類比推理。真實(shí)反映和描述現(xiàn)實(shí)生活中的物體是三維的,通過3D建模就是用三維軟件來建立物體形狀,采用點(diǎn)在三維空間的幾何體集合,三角形、平面、曲面等多種幾何特征元素。在數(shù)學(xué)上理想化幾何模型和在計(jì)算機(jī)三維系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正確表達(dá)兩個(gè)問題需要解決。開始三維模型的建模幾何形體含有幾何和拓?fù)湫畔?,然后隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中,三維模型可以反映出更多模型的特征參數(shù)及性能信息。模型的幾何信息描述點(diǎn)、線、面幾何要素的數(shù)目、大小、位置和方向特征,比如曲線位置坐標(biāo)值、線框數(shù)量值等,連接拼湊幾何要素之間的關(guān)系,如曲線由點(diǎn)連接而成、曲線之間線與線連接關(guān)系、點(diǎn)鄰接與線鄰接的關(guān)系。物體形狀要素要求的物理、化學(xué)性能要求。不同應(yīng)用場(chǎng)合,采用不同的建模技術(shù),如圖2-2所示曲面、網(wǎng)格模型。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s22翼肋曲面模型和葉片網(wǎng)格模型本文研究零件模型根據(jù)模型的基本信息設(shè)計(jì)幾何造型,建模過程實(shí)際上就是對(duì)飛機(jī)零件產(chǎn)品的抽象化過程。因?yàn)閮A斜角度問題,如果壓板和零件平面之間角度過大,則制造有問題。根據(jù)這些問題及模型基本信息,建立合適的幾何模型進(jìn)行研究,并根據(jù)需要修改不可行的幾何形狀,來改變支撐結(jié)構(gòu)用量,以下步驟為零件設(shè)計(jì)模型過程:設(shè)計(jì)零件模型,根據(jù)飛機(jī)零件物理性能要求,基于飛機(jī)零件的多元素特征,理想化零件模型缺口、挖空等問題要素實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單零件模型,使設(shè)計(jì)零件模型更具有代表性。平滑化模型,零件模型制造的曲面化,設(shè)置模型的曲率半徑。定義模型邊界減小應(yīng)力集中問題,更符合理想化模型特點(diǎn)。優(yōu)化模型,通過切片軟件預(yù)覽零件模型制造參數(shù),隨著方向角度不斷變化,該模型獲得最優(yōu)的切片方向。然后對(duì)該模型進(jìn)行相關(guān)制造元素進(jìn)行修改模擬預(yù)覽加工結(jié)果,來確定最佳零件模型。如圖2-3所示零件設(shè)計(jì)整體過程圖。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s23零件設(shè)計(jì)整體過程圖2.3模型的切片通過設(shè)計(jì)理想化三維飛機(jī)零件模型,將三維零件模型文件轉(zhuǎn)化成STL格式文件是一種近似化處理零件模型,這樣可以方便快捷讓3D切片軟件應(yīng)用操作,將三維零件模型轉(zhuǎn)變成一層層二維零件模型輪廓截面,分成切片完成3D模型打印,因此3D打印自由成型工藝流程如下圖2-4所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s213D打印自由成形工藝流程因?yàn)榱慵腃AD模型上常常有一系列的不規(guī)則的自由曲面,所以在使用前需要針對(duì)零件模型進(jìn)行近似處理,可以把建立好的模型CAD轉(zhuǎn)換成STL格式可使用3D切片軟件打開。其中3D打印機(jī)常用一組集合的小三角形來無(wú)限逼近自由曲面的近似方法來處理3D零件模型,但是從本質(zhì)上來看,由于多個(gè)小三角形拼湊連接逼近原零件模型,并沒有完整表示出真實(shí)的零件模型表面,這樣使零件模型表面邊界上有凹凸不平現(xiàn)象,導(dǎo)致零件模型與原設(shè)計(jì)模型存在一定誤差。根據(jù)理論上分析,當(dāng)小三角形數(shù)量的增加,應(yīng)用STL格式近似逼近法來提升同樣的零件模型的準(zhǔn)確度。特別是,在同條件下,含有不同外形的輪廓特征元素的三維零件模型,最后得到小三角形數(shù)量差異很大,例如球體STL的三角形網(wǎng)格分割,如圖2-5所示,三維零件模型近似逼近的誤差比較和分析如表2-1所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s15STL球體表2-SEQ表\*ARABIC\s11三角形數(shù)目與誤差關(guān)系三角形數(shù)目弦差%表面積誤差%體積誤差%2083.4929.8088.413058.8920.5367.334045.4215.6653.9710019.106.4524.325003.921.315.1810001.970.662.6150000.390.130.53通過上述的方式三維零件模型的近似處理獲得STL格式零件模型,3D打印流程對(duì)STL零件模型要求很高的準(zhǔn)確度和真實(shí)性,尤其要確保STL模型沒有裂縫、沒有重疊面和交叉面,這樣避免切片分層所得薄片輪廓線沒有封閉,導(dǎo)致無(wú)法正常加工得到零件模型。雖然從三維軟件中三維模型轉(zhuǎn)換成STL文件出錯(cuò)概率基本很低,但是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,歸納得出以下幾點(diǎn)基本差錯(cuò):平面內(nèi)法向量出現(xiàn)差錯(cuò),模型表面建立法向量產(chǎn)生錯(cuò)誤;模型表面沒有連接,出現(xiàn)斷裂、懸空的薄片面;模型出現(xiàn)相交或者自交的特征元素;STL格式模型不完整或破損等。這些問題大部分是三維零件模型建立出現(xiàn)一些錯(cuò)誤,如果轉(zhuǎn)化所得模型有較大問題時(shí),那么最好的方法就返回CAD軟件進(jìn)行修改;然而一些小問題就可以用切片軟件自動(dòng)修改,這樣方便模型處理?;谶@些問題,3D打印軟件建立了三維顯示欄,來修改三維軟件模型的不足。解決這些不足之處,較為準(zhǔn)確的STL格式模型進(jìn)行分層準(zhǔn)備打印模型。切片分層分為原模型輪廓、內(nèi)部填充及支撐結(jié)構(gòu),多次掃描獲得零件模型外部輪廓線,單次掃描可以取得模型內(nèi)部填充的非輪廓邊界。依據(jù)相隔填充線分成有間隙填充和無(wú)間隙填充模式,有間隙填充應(yīng)用在零件模型的內(nèi)部孔隙的地方減少支撐材料的費(fèi)用,無(wú)間隙填充則是模型的整體結(jié)構(gòu)。3D打印機(jī)提供多種填充圖案選擇填充,選擇不同的填充模式則影響打印模型的加工時(shí)間、材料用量和模型物理性能等,如下圖2-6所示直線、網(wǎng)格、三角形、折線、快速蜂窩及全蜂窩內(nèi)部填充圖案。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s16直線、網(wǎng)格、三角形、折線、快速蜂窩及全蜂窩根據(jù)分層參數(shù)由分層、路徑和支撐三個(gè)部分構(gòu)成,下面參數(shù)定義分別為:分層部分,分層的厚度是3D打印的單一薄片厚度,開始分層高度設(shè)置為零,結(jié)束的分層高度為該切片最高點(diǎn)。路徑部分,依據(jù)3D打印機(jī)上使用的噴嘴直徑來設(shè)置切片輪廓線,通常是噴嘴直徑的1.3~1.6倍,由于是預(yù)覽模型,所以大部分參數(shù)按照之前軟件的數(shù)據(jù)無(wú)需重新設(shè)置。切片過程中掃描截面的輪廓,每一次掃描向零件模型內(nèi)部移動(dòng)一個(gè)線寬度。根據(jù)零件模型的制造要求進(jìn)行調(diào)整,選擇合適的填充線寬和填充角度,設(shè)置每一層填充線的方向,每次依照設(shè)定值進(jìn)行循環(huán)填充,不可以過度堆疊,這樣無(wú)法成功制造零件。還有一點(diǎn)確定有間隙填充的模型表面的最小角度值,當(dāng)切片面與水平面形成的角度值大于該確定值時(shí),應(yīng)用有間隙填充模式;相反小于該值時(shí),則改為無(wú)間隙填充模式。支撐部分,支撐角度是表面和水平面的夾角,掃描輪廓線需要支撐線寬度,為減少材料的用量,應(yīng)用有間隙填充,還可以減少制造時(shí)間。上述這些參數(shù)影響切片質(zhì)量,如下圖2-7所示不同的參數(shù)切片的分割結(jié)構(gòu),不同的切片參數(shù)對(duì)制造零件模型的物理性能影響不同,無(wú)間隙填充的結(jié)構(gòu)固定,使模型的穩(wěn)定性和強(qiáng)度都很好。掃描一次,填充間距4和角度45°、135°掃描三次,填充間隔2和角度30°的無(wú)間隙和有間隙填充圖2-SEQ圖\*ARABIC\s17不同參數(shù)的層片分層切片含義是將零件模型的STL格式的三維零件模型轉(zhuǎn)換成連續(xù)二維外輪廓截面圖形,然后針對(duì)這些圖形形成3D打印機(jī)的指控命令,如下圖2-8所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s25STL零件模型分層切片處理通常來說,3D打印機(jī)上安裝分層切片軟件,把幾何零件模型用截面圖形經(jīng)過切片處理,通過連續(xù)Z軸的正方向作為法線方向的平面和STL零件模型相交,計(jì)算所相交的點(diǎn)連接形成零件模型的外輪廓線表示出切片截面的邊界。通過上述零件模型的輪廓線形成3D打印機(jī)的程序命令和模型的形成途徑。3D打印的切片厚度常常設(shè)定為不變量,相當(dāng)于把零件模型分割成多個(gè)等厚度的薄片,分的層數(shù)越多,層厚越小,加工后零件模型的外表面質(zhì)量平滑度越好,但是加工零件模型時(shí)間變得越長(zhǎng),切片分層的厚度范圍大概是0.015~0.6mm之間,常選擇0.1mm左右切片厚度進(jìn)行加工。實(shí)際上3D打印機(jī)上還應(yīng)用了CAD零件模型直接分層切片和適應(yīng)性分層切片等進(jìn)行切片處理,其中直接切片分層方式不用把三維零件模型轉(zhuǎn)變成STL格式零件模型,只需在原零件模型上進(jìn)行切片處理。然而適應(yīng)性分層切片則比較繁瑣,首先依據(jù)零件模型的基本特征要求自動(dòng)調(diào)整切片厚度,在零件模型表面粗糙度和裝配精度要求高的位置應(yīng)用比較小的切片厚度,在無(wú)需裝配或其他地方可以用大一點(diǎn)的切片厚度,零件模型的加工后的模型表面質(zhì)量提高,不同分層厚度使零件模型存在不同程度上的表面粗糙度、裂紋等表面缺點(diǎn),從而影響零件模型的裝配精度、耐腐蝕性和抗疲勞強(qiáng)度等性能,最終導(dǎo)致零件的使用價(jià)值和使用期限。2.4支撐設(shè)計(jì)規(guī)則本文研究有支撐結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì),支撐材料用量與制造零件成本成正比。支撐結(jié)構(gòu)自由或者手動(dòng)添加,首先設(shè)置好所需要支撐的表面的最大角度(水平面和表面的夾角),然而當(dāng)零件表面和工作臺(tái)水平面的角度小于設(shè)定值時(shí),就一定要添加支撐結(jié)構(gòu)。事實(shí)上當(dāng)角度越來越大時(shí),支撐面積也變大;同樣的角度越小,支撐面積越變?cè)叫?,但問題又有該角度過于小時(shí),可能造成支撐不穩(wěn)定或者強(qiáng)度不夠,零件模型表面不平整或者下沉等問題。打印時(shí)支撐結(jié)構(gòu)之間支撐掃描線的距離,間隔較大的支撐部分,可以采納孔隙填充的模式,一般設(shè)置填充表面的最小面積,除了支撐面積大于需填充表面的最小面積可以免除支撐結(jié)構(gòu),這樣減少支撐結(jié)構(gòu)材料的用量,零件制造速度加快,為制造出較高零件模型的表面質(zhì)量,盡量在零件模型近處使用自由標(biāo)準(zhǔn)化填充模式。添加支撐結(jié)構(gòu)是增加材料過程,比傳統(tǒng)加工使用模具或者大型裝備制造要簡(jiǎn)單的多,當(dāng)打印后的零件模型只要去除支撐部分就實(shí)現(xiàn)了零件模型,雖然支撐材料與零件模型的物理性能一樣,但是支撐材料是有間隙堆疊密度小于模型的無(wú)間隙堆疊密度,因此很簡(jiǎn)便去除支撐結(jié)構(gòu)。然而對(duì)于單一材料的那些制造技術(shù),支撐結(jié)構(gòu)對(duì)零件模型造成很多問題。首先和設(shè)計(jì)的模型比較,支撐結(jié)構(gòu)的總體體積可能比較大,這樣容易導(dǎo)致材料、時(shí)間和能量的浪費(fèi)。根據(jù)研究表明,在增材制造過程中,高達(dá)63.6%的制造時(shí)間可以用于支撐的制造。雖然在3D打印技術(shù)中時(shí)間增加的沒有那么明顯,因?yàn)樵撨^程是切片制造過程,應(yīng)用自動(dòng)生成的支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)零件模型相同材料時(shí),打印許多薄列連接的模型,制造后,手動(dòng)分離支撐件與模型,很容易把零件模型破損,使用支撐結(jié)構(gòu)還有很多問題,所以針對(duì)這些問題,添加支撐結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)分析零件模型的制造方向或者優(yōu)化零件模型。本文所使用切片軟件預(yù)覽打印零件模型,自動(dòng)識(shí)別零件模型的外形特征,自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu)。打印后的零件模型的支撐材料用量和零件模型的質(zhì)量對(duì)去除支撐材料的程度形成一種趨勢(shì),在打印過程需要考慮支撐材料的用量,還用考慮打印后如何簡(jiǎn)單去除多余的支撐。如圖2-9所示支撐間隔,支撐間距對(duì)支撐材料用量及零件模型有一定的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,支撐間距選擇根據(jù)零件要求,內(nèi)部支撐比外部支撐難去除,開口向上的零件模型比開口向下減少支撐材料的用量。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s19支撐間隔在3D打印技術(shù)中,切片模型需要插入支撐結(jié)構(gòu)以支撐懸垂區(qū)域。如不添加支撐結(jié)構(gòu),制造出來的模型很容易變形或者無(wú)法加工。添加支撐結(jié)構(gòu)減慢制造速度及增加加工成本,當(dāng)具有較大的懸空面積的結(jié)構(gòu)在重力作用下容易折疊或下沉,通過自動(dòng)生成或者手動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu),零件模型及支撐結(jié)構(gòu)如下圖2-9所示。三維打印技術(shù)有支撐結(jié)構(gòu)添加、分層方向和打印軌跡優(yōu)化。3D打印模型支撐滿足條件:(1)滿足設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)的作用下,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便,體積小,優(yōu)化模型支撐結(jié)構(gòu)減少打印時(shí)間,節(jié)約打印所需要的材料,節(jié)省成本。結(jié)構(gòu)符合要求時(shí)支撐結(jié)構(gòu)作用如下:(1)避免待加工零件需支撐區(qū)域處于懸空狀態(tài),(2)待加工零件固定在加工平面上,避免加工零件在打印過程中出現(xiàn)偏移等問題,保證加工零件結(jié)構(gòu)性能:(3)保持零件重心位置,加工時(shí)維持零件的平衡能力,保證零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。支撐結(jié)構(gòu)加工零件模型支撐結(jié)構(gòu)加工零件模型圖2-SEQ圖\*ARABIC\s110原模型支撐結(jié)構(gòu)圖2.5確定制造最優(yōu)方向通過分析3D打印飛機(jī)零件制造參數(shù)和取向角度有關(guān),采用控制變量法,取向角度的變化,導(dǎo)致支撐材料的用量不同,繪制表格及曲線圖。由角度與制造材料質(zhì)量曲線圖變化的趨勢(shì),來評(píng)估在X-Y平面中,材料質(zhì)量隨角度變化量來描述支撐結(jié)構(gòu)下零件模型的制造參數(shù)。本課題研究零件模型最優(yōu)打印方向,不同打印方向所需要支撐材料不同,導(dǎo)致最后打印參數(shù)不同,一個(gè)模型在平面內(nèi)放置方向不同,添加支撐面積及高度不同,控制自動(dòng)添加支撐大小及最大懸空角度等打印參數(shù),隨模型放置角度的變化,預(yù)覽零件模型的制造參數(shù),分析比較變化規(guī)律,選擇最優(yōu)的打印方向。取向角度θ,切片軟件制造取向角度不同,所需要支撐的材料用量不同,比較不同取向角度的制造零件模型制造參數(shù),如下圖2-11所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s111角度變化圖優(yōu)化零件模型時(shí),重點(diǎn)針對(duì)模型內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并且在相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi),保持外表面及外形結(jié)構(gòu)不變,優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)到制造零件模型的打印材料質(zhì)量最小,按照實(shí)際情況分析,找到最小解有一定困難,但是給出一定的推理。在滿足零件模型強(qiáng)度要求下,優(yōu)化零件模型內(nèi)部幾何圖形結(jié)構(gòu),變化內(nèi)部圖形減少實(shí)心部分體積,減少無(wú)間隙模式打印的材料用量,用體積變化量來描述模型變化量。體積增加(),修改原模型的內(nèi)部幾何元素,來減少切片支撐結(jié)構(gòu)的用料,來實(shí)現(xiàn)制造時(shí)間少、材料用量少和制造成本低。(1)設(shè)計(jì)好的零件模型在切片軟件中進(jìn)行自動(dòng)添加合適的支撐結(jié)構(gòu),然后進(jìn)行打印預(yù)覽整理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從制造成本、加工時(shí)間及模型的加工質(zhì)量多個(gè)角度分析哪個(gè)角度為最佳的制造方向。得出結(jié)果后,然后在零件模型外部結(jié)構(gòu)不變情況下,對(duì)原模型進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化,如圖2-12所示原模型內(nèi)部三角形角度的變化,改變模型內(nèi)部結(jié)構(gòu),承受載荷分布不一樣,需要添加支撐結(jié)構(gòu)也隨之變化。當(dāng)然還可以在保持零件模型外部形狀不變的情況下,改變內(nèi)部的圓曲面幾何造型變成平面特征元素,優(yōu)化設(shè)計(jì)零件模型,建立三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式零件模型,近似逼近小三角形網(wǎng)格連接發(fā)生變化,添加支撐面積也發(fā)生改變。預(yù)覽打印模型參數(shù)結(jié)果,所得數(shù)據(jù)繪制成表格及曲線圖,比較分析反饋出模型在何種情況下,支撐結(jié)構(gòu)減少,打印出模型品質(zhì)好。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s112原模型內(nèi)部三角形角度變化案例分析與研究針對(duì)零件模型,實(shí)現(xiàn)打印方向的優(yōu)化及模型內(nèi)部幾何形狀優(yōu)化,確定一系列增材制造的預(yù)覽零件模型參數(shù)的方法和相關(guān)結(jié)果的步驟。針對(duì)模型不同方向放置在加工平臺(tái)上,進(jìn)行分析支撐用量及制造時(shí)間,繪制打印用材質(zhì)量隨平面與加工零件夾角變化曲線圖。通過曲線圖變化趨勢(shì),得出比較合理的打印方向,然后對(duì)原有模型進(jìn)行零件模型優(yōu)化有兩個(gè)方案,其一是針對(duì)零件模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三角形角度變化,并且控制模型外部結(jié)構(gòu)不變,通過體積變化量來比較;其二對(duì)零件模型內(nèi)部曲線元素特征改變成菱形,體積變化及打印支撐材料用量變化,通過對(duì)于獲得最優(yōu)零件模型。實(shí)際上大部分模型對(duì)可以按照其方式類比推理,減少支撐結(jié)構(gòu)。飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足輕質(zhì)、使用壽命長(zhǎng)、物理性能高及維修成本低等要求,結(jié)構(gòu)尺寸主要進(jìn)行應(yīng)力分析求解,簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)根據(jù)材料力學(xué)理論分析,來初步確定模型尺寸,為減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量,重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用新工藝、新材料,所以研究3D打印技術(shù)打印模型。設(shè)計(jì)理想化零件模型,三維零件模型尺寸大小長(zhǎng)100寬50高20mm,三維模型轉(zhuǎn)變成STL模型,因?yàn)槿S打印機(jī)的加工的零件尺寸有限制,所以選擇打印平臺(tái)最小尺寸零件模型比例為9:10,縮小圖形尺寸一體化加工。根據(jù)切片軟件算法自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu),設(shè)置切片中各類參數(shù),選擇支撐大小2mm,最大懸空角度45°,內(nèi)部填充應(yīng)用網(wǎng)格模式等厚度切片,層厚為0.2000mm,模型材料應(yīng)用PLA,預(yù)覽模型加工參數(shù)。3.1最優(yōu)打印方向理想化設(shè)計(jì)三維零件模型,含有三角形、曲面等元素特征。后將三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式輸入到切片軟件中,按照?qǐng)D形設(shè)置好打印參數(shù),自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu),模型放置工作平面與模型的夾角變化情況分以下兩種情況:方向一:Y90°,X方向角度變化方向1是模型在切片軟件中處于最大高度,然后隨X方向角度變化,如圖3-1所示。自動(dòng)添加支撐材料的增材制造,設(shè)置好打印參數(shù),預(yù)覽模型獲得對(duì)應(yīng)隨角度變化結(jié)果如表3-1所示。模型體積為50.96cm3,基底面積初始值為8.10cm2。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11方向一角度變化及模型預(yù)覽圖表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s11方向一打印參數(shù)隨角度變化負(fù)角度時(shí)間min質(zhì)量g材料費(fèi)用0°27075.023.4510°26976.053.5020°27176.723.3530°27075.373.4740°27476.763.5350°350100.714.6360°33997.904.5070°31189.984.1480°27179.473.6690°23569.723.21對(duì)于方向一,打印原模型自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu)的增材制造預(yù)覽的結(jié)果。在Y方向不變X方向角度變化下,通過曲線圖變化情況,得出在X為90°方向下打印時(shí)間最少,材料質(zhì)量小及制造成本最小。因?yàn)殡S角度變化后,添加支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量不一樣,導(dǎo)致所需要的支撐材料用量不一樣,支撐用量減少打印后處理也比較方便。并且隨角度變化后零件模型重心在下降,與工作平面的接觸面積增加,模型在打印的時(shí)候穩(wěn)定性也比較好。方向二:Y-90°,X方向角度變化方向2是模型在切片軟件中以模型的長(zhǎng)為最大高度立方,然后隨X軸正角度變化,如圖3-2所示。原模型自動(dòng)添加支撐材料的增材制造,設(shè)置好打印的各種參數(shù),預(yù)覽原模型結(jié)果獲得對(duì)應(yīng)值隨角度變化結(jié)果如表3-2所示。原模型體積為50.96cm3,基底面積初始值為2.00cm2。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s12方向二角度變化圖表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s12方向二打印參數(shù)隨角度變化角度時(shí)間min質(zhì)量g材料費(fèi)用0°25667.173.1810°25568.533.1520°26771.103.2730°27170.833.2640°27571.423.2950°32687.344.0260°31485.273.9270°28980.333.7080°26776.293.5190°24873.743.39對(duì)于方向二情況,打印原模型自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu)的增材制造預(yù)覽的結(jié)果。在Y軸-90°不變X方向正角度變化下,材料費(fèi)用隨之變化。通過角度與材料費(fèi)用曲線圖變化情況,如圖3-3所示。從上表結(jié)果中得出在X為90°方向下打印時(shí)間所花最少,在X方向?yàn)?°方向下材料所耗質(zhì)量最小,在X為10°方向下材料費(fèi)用所花最小。因?yàn)樵P驮诠ぷ髌矫嬷须S角度變化之后,添加支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量不一樣,導(dǎo)致所需要的支撐材料用量不一樣,支撐用量減少打印后處理也比較方便。并且隨角度變化后零件模型重心高度在下降,與工作平面的接觸面積增加,模型在打印的時(shí)候穩(wěn)定性也相對(duì)來講比較好。根據(jù)上面多方面描述情況來看在方向二情況下,原模型打印方向在X為0°相對(duì)比較合適加工。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s13角度與材料費(fèi)用關(guān)系圖綜合分析上面兩個(gè)方向,可以看出原模型開口方向向上的加工所耗材料質(zhì)量及材料費(fèi)用相對(duì)來講小,但是在與工作平面接觸面積小的情況下,必須提供足夠的基底寬度以確?;缀湍P椭g的牢固的連接。模型的固定不夠?qū)е履P偷姆€(wěn)定性在降低,因此得出方向二模型開口向上的打印方向比較節(jié)約材料用量。3.2最優(yōu)模型在上面的兩個(gè)方向中,結(jié)果得出比較合理的打印方向規(guī)律,但由于設(shè)計(jì)模型往往需要輕質(zhì)量、添加支撐少等要求。因此需要對(duì)零件三維模型優(yōu)化,在控制模型的幾何外形特征不變的情況下,對(duì)模型內(nèi)部的結(jié)合外形進(jìn)行改進(jìn),然后滿足零件模型的使用要求。通過多個(gè)圖形比較分析,用體積變化量來描述模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,然后在合理的打印方向下,預(yù)覽打印模型的結(jié)果。經(jīng)過分析比較得出最優(yōu)零件模型。對(duì)此提出以下兩個(gè)方案:方案一:零件模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三角形角度變化方案1是對(duì)零件模型內(nèi)部幾何圖形的三角形角度值在一定規(guī)律下進(jìn)行改進(jìn),但是沒有改變?cè)P偷耐獠繋缀谓Y(jié)構(gòu),重新設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性等滿足使用要求。由于設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)添加支撐角度為45°,假如按照上述的方向二中放置模型,導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)的模型內(nèi)部幾何圖形角度變化量大于等于45°,在該方向上需要多添加支撐結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料用量增加,打印模型制造成本增加。模型內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)三角形角度變化圖如圖3-4所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s14模型內(nèi)部三角形角度變化圖對(duì)于原三維模型內(nèi)部幾何形狀的改進(jìn),然后轉(zhuǎn)化成STL格式。由于內(nèi)部幾何特征的改變,會(huì)使模型三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微的變化。將模型導(dǎo)入切片軟件中,設(shè)置切片中各類參數(shù),選擇支撐大小2mm,最大懸空角度為45°,根據(jù)切片軟件算法自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu),內(nèi)部填充應(yīng)用網(wǎng)格模式等厚度切片,層厚為0.2000mm,模型材料應(yīng)用PLA,預(yù)覽模型加工參數(shù)。在方向一Y90°,X-90°打印零件模型,預(yù)覽模型內(nèi)部三角形結(jié)果獲得對(duì)應(yīng)值隨角度變化結(jié)果如表3-3所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s13預(yù)覽模型內(nèi)部三角形角度結(jié)果表角度體積cm3時(shí)間min質(zhì)量g材料費(fèi)用30°50.9623569.813.2145°50.2122867.673.1160°46.0622063.982.94對(duì)于改變模型的內(nèi)部幾何形狀的三角形的角度變化,模擬打印過程得到對(duì)應(yīng)角度的模型體積、制造時(shí)間、打印模型后材料質(zhì)量及制造成本等相關(guān)參數(shù)。在三角形為45°時(shí),模型體積相對(duì)30°原模型體積變化量為1.47%,制造時(shí)間比之前模型加快,制造材料用量減少3.06%,進(jìn)而材料費(fèi)用減少。在三角形為60°時(shí),模型體積相對(duì)45°模型體積變化量為8.27%,制造時(shí)間減少,制造材料用量減少5.45%,從而模型的制造成減少。模型在方向二的Y-90°,X90°時(shí),模型外部幾何形狀的曲面方向與工作平面形成向上的形式,并且自動(dòng)添加的支撐角度為45°,然而改變后的模型形狀角度大于等于45°,在最大高度方向下時(shí),模型內(nèi)部表面與加工平面角度變大,自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量增加,所以沒有在方向二上進(jìn)行打印預(yù)覽改進(jìn)的模型研究。通過上面改變模型的內(nèi)部幾何形狀的三角形的角度變化,模擬打印過程得到對(duì)應(yīng)角度的模型體積、制造時(shí)間、打印模型后材料質(zhì)量及制造成本等相關(guān)參數(shù),打印材料與費(fèi)用成正比。在方向一的Y90°,X-90°方向打印模型,三個(gè)模型內(nèi)部三角形角度的變大,在一定范圍內(nèi),模型的體積減小,自動(dòng)添加支撐數(shù)量減少,制造時(shí)間變短,模型所消耗的材料變少,最終降低制造成本。方案二:零件模型內(nèi)部曲線幾何元素改變成菱形方案2是對(duì)零件模型內(nèi)部曲線元素特征進(jìn)行修改,把內(nèi)部曲線改變成菱形幾何特征,但是沒有改變?cè)P偷耐獠繋缀谓Y(jié)構(gòu),重新設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性等滿足使用要求。由于設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)添加支撐角度為45°,在上面兩個(gè)打印方向中,選取合理的打印方向,預(yù)覽零件模型。分析兩個(gè)模型預(yù)覽結(jié)果,得出最優(yōu)模型。零件模型內(nèi)部曲線元素特征修改成菱形圖如圖3-5所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s15模型內(nèi)部圓形變成菱形圖對(duì)于原三維模型內(nèi)部曲線幾何特征改為菱形,然后轉(zhuǎn)化成STL格式。由于內(nèi)部幾何特征的改變,會(huì)使模型三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微的變化。將模型導(dǎo)入切片軟件中,設(shè)置切片中各類參數(shù),選擇支撐大小2mm,最大懸空角度為45°,根據(jù)切片軟件算法自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu),內(nèi)部填充應(yīng)用網(wǎng)格模式等厚度切片,層厚為0.2000mm,模型材料應(yīng)用PLA,預(yù)覽模型加工參數(shù)。在方向一Y90°,X-90°打印零件模型,預(yù)覽模型內(nèi)部圓形改變成菱形變化結(jié)果如表3-4所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s14方向1預(yù)覽模型內(nèi)部圓形變菱形變化表幾何元素體積cm3時(shí)間min質(zhì)量g材料費(fèi)用圓形50.9623569.813.21菱形47.2323168.133.13在方向二Y-90°,X30°打印零件模型,預(yù)覽模型內(nèi)部圓形改變成菱形變化結(jié)果如表3-5所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s15方向二預(yù)覽模型內(nèi)部圓形變菱形變化表幾何元素體積cm3時(shí)間min質(zhì)量g材料費(fèi)用圓形50.9627170.833.26菱形47.2326267.083.09原三維模型內(nèi)部曲線幾何特征改為菱形,模擬打印過程得到對(duì)應(yīng)幾何元素的模型體積、制造時(shí)間、打印模型后材料質(zhì)量及制造成本等相關(guān)參數(shù)。在方向一Y90°,X-90°打印零件模型,含菱形幾何元素的模型體積相對(duì)原模型體積變化量為7.32%,制造時(shí)間比之前模型加快,制造材料用量減少2.40%,進(jìn)而材料費(fèi)用減少。在方向二Y-90°,X30°打印零件模型,含菱形幾何元素的模型體積相對(duì)原模型體積變化量為7.32%,制造時(shí)間比之前模型減少,制造材料用量減少5.29%,進(jìn)而材料費(fèi)用降低。從上兩個(gè)表格數(shù)據(jù),含有菱形幾何元素的模型在方向一Y90°,X-90°下制造時(shí)間短。在方向二Y-90°,X30°打印零件模型,模型體積減小和自動(dòng)添加支撐數(shù)量減少,模型制造材料與材料費(fèi)用減小。通過兩個(gè)方案對(duì)比,還是改變?cè)P蛢?nèi)部的幾何形狀角度變化。因?yàn)榇蛴∠嚓P(guān)數(shù)據(jù)和自動(dòng)添加的支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量聯(lián)系密切,模型內(nèi)部幾何形狀角度大于支撐結(jié)構(gòu)最大懸空角度或者支撐面積都需要添加支撐。因此改變模型內(nèi)部幾何形狀角度對(duì)制造模型影響大,變化內(nèi)部幾何模型角度獲得最優(yōu)模型。3.3三維打印優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究增材制造是3D零件模型數(shù)據(jù)中層層疊加形成物體的過程,可以使用許多液體、電線和粉末等來源材料。除了增材制造材料,3D打印技術(shù)開始預(yù)期制造零件模型幾何特點(diǎn),根據(jù)零件模型處理以產(chǎn)生增材制造的打印路徑,通過3D打印技術(shù),添加支撐結(jié)構(gòu),但是不需要傳統(tǒng)制造的模具、大型加工裝置。從設(shè)計(jì)三維建模開始,轉(zhuǎn)化零件模型格式,到3D切片軟件中,應(yīng)用網(wǎng)格形式的STL格式模型,添加支撐結(jié)構(gòu),然后將模型進(jìn)行等厚度切片處理,平行模型邊界沿著Z軸正方向循環(huán)掃描,獲得預(yù)覽零件模型。針對(duì)整個(gè)打印過程,了解分析過程中可能出現(xiàn)的問題并進(jìn)行總結(jié)分析。通過對(duì)3D打印的結(jié)構(gòu)優(yōu)化整體進(jìn)行研究分析,根據(jù)實(shí)際打印模型結(jié)果得出打印模型的支撐結(jié)構(gòu)、模型在加工面的穩(wěn)定性、模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及減少打印成本以下四點(diǎn)展開論述:打印模型支撐結(jié)構(gòu)在增材制造過程,STL零件模型通過層層切成薄片,所以在零件模型的挖空位置需要通過軟件算法自動(dòng)形成支撐結(jié)構(gòu),來完成3D打印模型。本文上述表格中有幾類3D打印機(jī)需要支撐結(jié)構(gòu)材可以準(zhǔn)確加工零件模型,否則模型輪廓線發(fā)生變化,完成打印模型后還需要移除支撐件。對(duì)于模型移去支撐件部位很容易被損壞或者模型表面粗糙度高,并且還要看支撐件的多少,為了滿足零件模型轉(zhuǎn)配精度及加工精度要求,通過對(duì)模型重新修改優(yōu)化、打印角度優(yōu)化等來減少支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量,以達(dá)到優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的目的。根據(jù)上述支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題,增材制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)得出以下兩種方法來優(yōu)化自動(dòng)添加的支撐,其一在切片軟件中導(dǎo)入STL格式模型,把適合加工尺寸大小的模型放置在工作平面,然后根據(jù)模型的幾何外形特征來放置模型的位置,考慮模型的開口方向、懸空位置和工作水平面的夾角及模型在工作面的穩(wěn)定性等問題,后自動(dòng)形成支撐件。如圖3-6設(shè)計(jì)實(shí)體模型,然后不改變模型外部幾何特征,挖空實(shí)體內(nèi)部,根據(jù)體積變化量,形成有間隙支撐,預(yù)覽3D打印實(shí)體與空心模型加工參數(shù),如表3-6所示比較分析兩個(gè)模型支撐量的變化量對(duì)加工成本的影響情況。實(shí)體模型大小為,體積為;空心模型體積為。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s16實(shí)體與空心模型加工參數(shù)參數(shù)體積cm3時(shí)間min質(zhì)量g材料費(fèi)用實(shí)體模型27.75141391.79空心模型11.3012729.081.34圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s16實(shí)體與空心模型支撐根據(jù)表格分析,空心模型支撐結(jié)構(gòu)滿足模型制造要求并且制造用材變少。在滿足使用零件模型條件下,優(yōu)化模型內(nèi)部結(jié)構(gòu),修改STL模型來改變形成的支撐結(jié)構(gòu),這種方法適用很大一部分零件,主要針對(duì)的模型優(yōu)化設(shè)計(jì),無(wú)論在各種切片軟件中或者使用不同性能的材料,自動(dòng)生成的支撐結(jié)構(gòu)都會(huì)得到一定的優(yōu)化。另一種支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式是將三維模型切片參數(shù)直接導(dǎo)入,首先用布爾差分運(yùn)算法計(jì)算切片間距,合理設(shè)計(jì)模型的切片參數(shù),然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果來確定支撐結(jié)構(gòu)位置,手動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu),如圖3-7所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s17切片數(shù)據(jù)的支撐結(jié)構(gòu)[31]上述兩種方法從模型和切片數(shù)據(jù)兩個(gè)角度優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu),對(duì)建立模型的支撐結(jié)構(gòu)來說,第一對(duì)建立的模型支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足可以很好的支撐模型,保證了模型在加工平面的穩(wěn)定及模型輪廓外形;第二切片軟件中添加的支撐件數(shù)量要少,一些與模型外形無(wú)關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)不但增加材料用量,而且加工時(shí)間長(zhǎng),數(shù)量多,與模型接觸面積大對(duì)模型表面外形結(jié)構(gòu)及加工精度有很大的影響。所以切片軟件自動(dòng)生成的結(jié)構(gòu)并不是最好的結(jié)構(gòu),應(yīng)用其他方法來重新優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。Strano等[32]提出胞格結(jié)構(gòu)形式來優(yōu)化支撐件,主要針對(duì)打印模型方向提出一套設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)方案為先建立3D隱式函數(shù)來計(jì)算分析,結(jié)果形成一定的有規(guī)律的間距變化的胞格形式的支撐結(jié)構(gòu)。因?yàn)閼?yīng)用隱含函數(shù)來計(jì)算是一種純粹的數(shù)學(xué)方程來計(jì)算模型的支撐幾何外形,所以可以用隱函數(shù)表達(dá)式可以建立各種各樣類型的胞格結(jié)構(gòu),如圖3-8所示,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不同模型的支撐規(guī)格代入函數(shù)可以計(jì)算出不同間隔參數(shù)的胞格。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s18胞格形式的支撐結(jié)構(gòu)[32]結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度對(duì)于3D打印中設(shè)計(jì)的三維模型,如果只是單純的考慮設(shè)計(jì)的幾何外形,對(duì)模型結(jié)構(gòu)沒有一定的材料力學(xué)分析,那么所設(shè)計(jì)好的模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能無(wú)法滿足使用的要求,為實(shí)現(xiàn)3D打印模型強(qiáng)度滿足使用的應(yīng)力狀態(tài),針對(duì)該問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,主要做法是提出合適辦法解決三維模型的強(qiáng)度或者變形等問題。對(duì)于模型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題,為重新建立新的三維模型,并且要求集合外形基本上和原模型相同及增加模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和一體性,Stava等人[36]提出一種可以自動(dòng)檢測(cè)和修復(fù)模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題的系統(tǒng)方案,其中應(yīng)用一種輕量級(jí)的結(jié)構(gòu)分析解算器來演模型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,然后,依據(jù)所推演出來的模型強(qiáng)度問題,文章中提出內(nèi)部挖洞、局部加厚及加支撐來對(duì)原來的模型進(jìn)行修復(fù),如下圖3-9所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s19結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題與修復(fù)方法[36]上述方法雖然很好的解決了模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)問題,使模型的應(yīng)力分布較為平均,但是該方法還是有一定的缺陷在檢查模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,首先自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)要預(yù)覽模型承受可能出現(xiàn)的外部載荷,然后根據(jù)模型外部受載情況,選取各個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)分析受力情況,按照公式計(jì)算模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。顯而易見,這種預(yù)加載荷對(duì)于大部分模型來看,不是真實(shí)反饋模型載荷的分布,所得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的結(jié)果不能保證模型的應(yīng)力狀態(tài)分析的正確性,可能導(dǎo)致模型的強(qiáng)度無(wú)法滿足模型使用要求。Zhou等人[37]提出另一個(gè)方法解決上述不準(zhǔn)確性問題,和上面提出的設(shè)置預(yù)定載荷,來推理模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同,相比較指出找到模型最危險(xiǎn)的承載情況,受力分析模型最容易破環(huán)或者最大變形區(qū),最不利載荷情況模型圖,如下圖3-10所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s110最不利載荷情況模型[37]本方案的關(guān)鍵技術(shù)是模態(tài)分析。對(duì)模型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究分析,通過實(shí)驗(yàn)分析某模型按照不同頻率振動(dòng),模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)因?yàn)楣舱瘳F(xiàn)象,模型內(nèi)部受到不同應(yīng)力,這樣結(jié)果會(huì)使模型比較危險(xiǎn)部分很容易產(chǎn)生裂紋或者大變形。在振動(dòng)情況下,模態(tài)分析模型結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的損壞或者變形情況。該方案大致四個(gè)方面是:計(jì)算出輸入模型在不同頻率的各階段的模型狀態(tài);在實(shí)驗(yàn)的每個(gè)階段模型的狀態(tài),計(jì)算分析出對(duì)應(yīng)頻率下的危險(xiǎn)區(qū)域;采用求解連續(xù)的優(yōu)化問題方法,在每個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域,計(jì)算分析出相對(duì)應(yīng)的最不利載荷分布情況;在上面載荷分布情況下,應(yīng)用有限元方法計(jì)算模型的應(yīng)力,通過計(jì)算結(jié)果得出該危險(xiǎn)區(qū)域的最大應(yīng)力狀態(tài)分布情況,比較最后得到每個(gè)階段模態(tài)下的最大應(yīng)力分布狀態(tài)和最不利載荷分布的數(shù)據(jù),最后實(shí)驗(yàn)?zāi)P蛻?yīng)力數(shù)據(jù)可以得到較為準(zhǔn)確的模型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在模型強(qiáng)度問題中,根據(jù)歐拉-伯努利假設(shè),Umetani等人[23]利用力學(xué)上彎矩平衡方程,受力分析模型的危險(xiǎn)橫截面的應(yīng)力狀態(tài),該方案一般對(duì)象是細(xì)長(zhǎng)部位的三維模型的強(qiáng)度分析,可以把該部位理想化看作歐拉-伯努利梁模型。先把模型細(xì)長(zhǎng)部位尺寸大小提出,然后按照相應(yīng)的梁結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行模型受力分析,畫內(nèi)力圖,計(jì)算該細(xì)長(zhǎng)部位的應(yīng)力。確保對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)精度,增加加工模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,利用該方案來優(yōu)化模型打印的方向,減少支撐用量,如圖3-11所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s111截面結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化打印方向[23]還有模型的變形經(jīng)常使增材制造無(wú)法很好的工作,特別是彈性變形量大的材料。在外力的作用下,模型產(chǎn)生彈性變形,在很大程度上,最后打印出來的模型和之前設(shè)計(jì)的形狀有一定的區(qū)別,為減少模型外形結(jié)構(gòu)的改變,之前是通過不斷設(shè)計(jì),然后分析實(shí)際打印模型和設(shè)計(jì)模型的差別,再依據(jù)得出的差距進(jìn)行修改慢慢符合設(shè)計(jì)的模型,多次重復(fù)該過程,最終得到所需模型。過程太過復(fù)雜,設(shè)計(jì)模型效果差。Chen等人[25]對(duì)此問題想出了逆向彈性形狀設(shè)計(jì)的漸近數(shù)值法,本方案從開始設(shè)計(jì)時(shí)想利用模型受作用力后發(fā)生彈性形變,然后把變形量加載到模型的最初形狀,這樣就可以得到原設(shè)計(jì)的模型??紤]模型材料的力學(xué)性能,材料的變形量可以作為模型的變形量參考,然后對(duì)模型進(jìn)行彈性分析計(jì)算,如下圖3-12所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s112逆向分析彈性形狀設(shè)計(jì)[25]結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在切片軟件工作平面下,三維模型可以任意角度放置,甚至可以懸空放置,然而將三維模型打印成實(shí)際造型時(shí),則需要考慮在哪種情況下,零件模型放置穩(wěn)定性最好。物體平衡是當(dāng)一個(gè)物體受兩個(gè)或者兩個(gè)以上的力作用時(shí),各個(gè)合力為零,則物體會(huì)相對(duì)靜止。在外界考慮重力的情況下,模型放置在工作平面要考慮到是否處于平衡狀態(tài)。打印模型放在基底上,但要考慮模型的幾何特征不一,考慮模型的重心位置,然后放置合適的角度,以便達(dá)到平衡狀態(tài)。針對(duì)平衡放置模型,可以應(yīng)用重心優(yōu)化。首先應(yīng)用幾何方法來分析模型重心位置,按照重心的位置來放零件模型。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出穩(wěn)定站立在平面上和懸掛在一根線上兩種平衡方式。對(duì)于站立方式,幾何模型和平面接觸的全部點(diǎn)可以形成一個(gè)可支撐多邊形,模型的重心投影在多邊形內(nèi)就可以使模型處于平衡狀態(tài);其次懸掛方式,保證模型重心通過線與懸掛點(diǎn)就可以使模型平衡,如圖3-13所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s113站立與懸掛平衡方式[9]在3D切片軟件中,把STL模型看作打印后的成品,通過一定方式找到三維模型的重心位置,然后將模型放置平衡。模型調(diào)整平衡方式有如下兩點(diǎn):(a)挖空模型內(nèi)部,讓模型內(nèi)部為空心;(b)在控制模型外部幾何特征不變情況下,讓模型外表面發(fā)生變形。經(jīng)過上述模型重心優(yōu)化處理,打印模型不需要添加其他輔助工具,模型就可以保持平衡狀態(tài),如圖3-14所示。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s114原模型與處理后模型通過打印模型,為保證模型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性選擇合理的截面形狀,可以適當(dāng)優(yōu)化支撐面積大小,目標(biāo)增大與工作平面接觸面積,零件不宜過高,改變模型的約束條件,合理選擇打印材料,因?yàn)椴牧衔锢硇阅懿顒e很大,材料的許用應(yīng)力不同。打印成本優(yōu)化增材制造成本指的是耗費(fèi)的打印的材料的重量或者體積、支撐材料的總量及打印所花時(shí)間,一般用成形單位重量或者體積所花費(fèi)的費(fèi)用來表示,打印材料的用量越多,費(fèi)用越多,可以理解成打印材料用量與費(fèi)用成正比的形式,通過優(yōu)化模型降低材料用量來優(yōu)化成本。在機(jī)械行業(yè)里,機(jī)械加工的很大一部分零件模型是多孔幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的,對(duì)于這類模型機(jī)加過程還是比較難實(shí)現(xiàn)的,通過優(yōu)化零件模型,采用增材制造技術(shù)加工模型,利用隨機(jī)函數(shù)表示多孔類零件模型,這樣便于設(shè)計(jì)新模型。為減少打印材料,通過建筑方面中的桁架結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),Wang等[15]給出一種蒙皮-剛架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)來處理材料成本優(yōu)化難題。多個(gè)桿件采用節(jié)點(diǎn)相接,構(gòu)造成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)模型,這便是剛架結(jié)構(gòu),如圖3-15所示。剛架的桿件是固定連接在一起的,而建筑的桁架通過鉸接形式連接。固定連接與鉸接連接所受力的形式不一樣,固定連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,其優(yōu)勢(shì)有:受力形式,假設(shè)剛架結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)受到外力作用,該節(jié)點(diǎn)在剛架連接的地方按比例分配到連接桿件上;減少材料用量,剛架結(jié)構(gòu)是承載應(yīng)力高,桿件連接,形成空間結(jié)構(gòu),只需要桿件材料,減少材料用量。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s115剛架結(jié)構(gòu)[15]對(duì)于剛架結(jié)構(gòu),把設(shè)計(jì)好的三維模型規(guī)劃成模型外表面形成的蒙皮及模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)為剛架,使蒙皮剛架模型體積最小化,并且保證模型的物理性能等。采用迭代優(yōu)化算法來優(yōu)化模型結(jié)構(gòu),目標(biāo)函數(shù)要求是整個(gè)模型的打印實(shí)體體積最小化和打印精度最小化。為完成目標(biāo)函數(shù),首先隨機(jī)形成一個(gè)剛架結(jié)構(gòu),然后經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化方法移除不受力作用多余的桿件和節(jié)點(diǎn),幾何優(yōu)化模型桿件半徑、節(jié)點(diǎn)的位置與數(shù)目,最后獲得優(yōu)化的剛架結(jié)構(gòu)。綜上四點(diǎn)所述,3D打印中結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中可以看出3D打印在各方面都有一些不足,需要深入研究?jī)?yōu)化,上述打印的模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在一定程度上有很大效果,打印模型的支撐結(jié)構(gòu)變化,支撐面積影響模型表面粗糙度,模型在加工面的接觸面積及模型重心影響模型的穩(wěn)定性,模型強(qiáng)度可以應(yīng)用有限元分析,優(yōu)化這些問題,減少打印成本??偨Y(jié)與展望本文通過三維建模設(shè)計(jì)和切片制造,來完成模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。借用理想化模型,在切片軟件中,設(shè)置合理切片參數(shù),自動(dòng)添加支撐結(jié)構(gòu)預(yù)覽模型參數(shù)。在打印方向中采用圖解法進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在優(yōu)化模型中通過控制變量法來分析模型。論文針對(duì)模型優(yōu)化主要完成以下幾個(gè)內(nèi)容。模型設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)中飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)性能,飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足輕質(zhì)、使用壽命長(zhǎng)、物理性能高及維修成本低等要求,結(jié)構(gòu)尺寸主要進(jìn)行應(yīng)力分析求解,簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)根據(jù)材料力學(xué)理論分析,來初步確定模型尺寸,為減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量,重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用新工藝、新材料,所以理想化三維模型結(jié)構(gòu)。打印方向設(shè)計(jì)三維零件模型轉(zhuǎn)化成STL格式,通過模型表面三角形網(wǎng)格化得到。模型導(dǎo)入切片軟件中,模型打印方向決定模型打印模型的質(zhì)量、打印時(shí)間及制造的成本。因此提出兩個(gè)打印方方向,預(yù)覽各狀態(tài)下對(duì)應(yīng)模型參數(shù),繪制曲線圖分析變化趨勢(shì),來實(shí)現(xiàn)打印方向的最優(yōu)化。模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)設(shè)計(jì)的原三維模型,設(shè)計(jì)兩個(gè)方案對(duì)模型優(yōu)化,改變模型內(nèi)部幾何形狀的角度與改變模型內(nèi)部幾何元素,體積變化量描述模型的改變。通過對(duì)比分析模型得出最優(yōu)模型,然后對(duì)模型結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)
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