3D打印对传统的影响

       随着3D打印技术的快速发展，它己被证明是快速原型技术中最重要的一类技术。3D打印可W非常容易地将数字模型巧印输出为真实物体，这一过程既简单又无需技能要求。同时，伴随3D打印技术的成熟，它也逐渐变得更加便宜，越来越多的廉价3D打印机和各种软件包让普通用户可W很方便地实现自己的设计并将其打印输出。
       由于很多3D模型是由这些普通用户自己设计而成，而这些用户大多缺乏一些设计或制造经验，因此所设计的模型容易产生一些结构缺陷。这些缺陷会导致这些3D模型可能不能成功打印输出或在打印后模型结构较脆弱而在日常使用巧到破坏。也就是说，结构缺陷可能会使很多普通用户打印的模型与其所设计的模型相去甚远。因此，大多巧3D模型的设计，特别是那些复杂的模型对象，需要从结构角度进行一璧评估、调整巧修复，以避免不能正常打印或。幸运的是，人们一直在研巧与设计方法，W帮助模型能更好地按照设计结果打印出来。许多计算工具己经彼开发出来，如强度分析口，静态巧动态稳定性分析等。
       传统上，大数的结构分析方法常采用计算准确性较髙的有限元方法（FiniteElementMethod）。然而，有限元方法比较耗巧计算时间，因为它涉及到网格生成和求解大型线性系统的过程。因此，对普通的设计而言，一般是先进行模型的外形设计，再用有限元方法进行结构分析来验证设计结果。这里，模型外形设计与有限元结构分析是完全分开的两个过程。最近Xie等通过分区方法来提巧有限元计算效率，并将有限元计巧与几何设计集成在一起，有效地提高了设计与分析的效率。但该方法需要网格生成和分区处理，这些影响了系统的易用性。
       模型应力计算的另一种方法是截面结构分析。这种计券方法过去主要用在材料力学中。考虑到该方法的计算特点与以下方面原因，我们认为在3D打印中使用它来计算结构应力：首先，大多数3D模型脆弱部分的结构特征都有些像细管状结构。因此，我们可以假设，这些结构类似梁状结构。其次，3D打印模型大多会承受弯曲外力，同时弯曲外力引起的应力比轴向外力大得多。这符合截面结构分析的荷载特征。最后，截面结构分析计算具有一定的精度，这一精度己满足3D打印的精度需求。同时，其实从本质上来看，无论是截面结构分析还是有限元方法，两者都是一种计算结构应力的近似方法。
      在本章中，我们提出一个基于骨架的截面结构分析系统，来帮助用户设计形状同时检测结构缺隋。通过我们的系统，用户可交互地轻松地编辑模型的形状，与此同时，还可快速地检测出结构可能存在的缺陷问题。根据检测到的结构缺陷，系统可以自动修正该结构薄弱区域。系统引入骨架来进行形状编辑与结构分析，同时完成结构缺陷修正。与基于有限元的系统相比，我们的系统不需要网格生成或添加边界条件，使用更加简单。同时，我们的系统计算速度更快。因此，我们的系统具有更好的易用性和实时性。总结来说，系统具有如下：
（１）我们将骨架工具引入截面结构分析方法，通过骨架来驱动模型外形设计，同时，利用骨架来引导截面结构分祈。因此，通过骨架将外形设计和结构分析很好地集成在一起。
（２）我们给出一种基于骨骼的脆弱怪域直接修正方法。该方法针对于每一个结构脆弱医域，根据应力计算结果来计算结构区域的放缩因子，然后通过缩放相应的结构区域来修正使其变为安全区域。
        本章我们将对论文所研充的内容做一个简单总结，并结合所做的工作与相关领域的发展，对未来工作提出几点展望。
       传统的产品设计和制造过程通常是独立分开的，一般是先设计再制造，而且由不同的人来掌控。产品设计通常由设计师来负责，而制造则由专口的制造技术专家或工人来负责。其中产品设计一般通过计算机辅助设计软件在数字世界中完成，而制造则由一些具有一定制造技能的技术人员通过各种加工工具在物理世界中实现。这种情形下，数字世界与物理世界之间界限清晰，鸿沟明显。3D打印是＂第兰次工业革命＂的前沿代表技术，它通过逐层打印、层层堆的方式，将给定的数字化模型打印输出为物理世界中的产品。3D打印有力地沟通了数字世界与物理世界之间的联系，同时也使得设计师和制造技术人员之间的鸿沟不再不可逾越。它可W有效地将设计师从产品制造工艺的束巧中解放出来，更加专注于产品本身的设计。当前，我国正在大力推进＂中国制造＂向＂中国智造＂的转变，3D打印的上述特点将给我国传统制造业带来变革性彩响，会有力地推动我国制造业转型升级。
        虽巧3D打印能很方便地将虚拟的数字化模型变为真实的工业产品，但是它对材料的要求较高。因此，与传统制造技术相比，它的材料成本还较高。如何节省材料来降低3D打印的成本，对于促进3D打印的发展和应用，具有重要意义。我们在第二章对现有结构优化研巧作了一些初步介绍，并着重分析了面向节省材料的结构优化方法。从中可看出，目前3D打印模型结构优化大多采用某种指定结构型式如刚架、巧窝、中巧巧、多化和胞格等结构来实现，其结构优化结果会受到所采用结构型式限制，尚不能很好地实现化何形状与对象受力传递路径保持一致。从这个角度来看，材料节约和优化尚有很大的改进空间。
       针对上述问题，我们借鉴传巧渐进结构优化方法，在第云章给出一种面向3D打印体积极小的拓扑优化算法。该冀法通过横型力学计算巧得的巧大Von-Mises应力与材料允许应力之比来引导模型体积巧小进化，直至最大应力达到允许应力值为止。同时引入多分辨率技术，由粗网格再到细网格进行优化计巧，有效地提巧了计算效率。与现有其他给定结构巧式的方法相比，该优化结果能更好地体现模型荷载受力的传递路径。
      目前，3D打印中的几何计算研巧仍处于发展阶段，存在大皇有待解决的问题，也是未来这方面的研究重点和可能的发展方向。在这样的背景下，本文则对3D打印中的结构优化工作做了一些探索，其中还有很多亟需深入解决的问题。因此，下面我们将分别从3D打印中的几何计算与结构优化两方面对下一步工作做一些展望。

宿迁3D打印

更新时间: 2019-09-30 17:49:40 查看次数: 317