2019-02-20 23:22:01
通过削减支持推进增材制造

3D打印开辟了工程师曾经梦寐以求的设计可能性。

该技术允许制造商创造具有独特和复杂形状的零件 - 传统制造方法(如压铸或注塑成型)无法生产的零件。

通过3D打印(也称为增材制造),机器通过分层添加材料,从头开始构建对象来创建零件。因为每个新图层都需要由它下面的图层支持,所以复杂零件中的一个图层可以突出显示下一个图层的数量是有限的。因此,制造商通常需要构建结构以支持打印时的零件。

“但在部件完成后,拆除支撑材料可能成本很高,”威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授钱小平说。 “这些支撑结构有时被称为牺牲结构,因为它们最终会被丢弃,这会浪费材料和建造时间。”

此外,可能难以接近和移除支撑结构而不会损坏成品部件。

为了解决这些问题,钱先生设计了一种方法,可以显着减少使用3D打印构建组件所需的支撑材料数量 - 在某些情况下,甚至可以完全消除对支撑结构的需求。

“传统上,支撑结构是通过简单地考虑零件的几何形状,然后创建支撑所需的柱子来创建的,”钱说。 “但这并没有得到优化。”

他的方法使用计算建模工具简化了支持结构。通过使制造商能够使用最少量的支撑材料,该方法可以缩短构建时间并节省材料成本。

Qian的技术广泛适用于各种增材制造技术。到目前为止,他已经证明了他使用熔融沉积成型方法和使用激光粉末床熔合工艺的3D打印金属部件的方法的好处。在一个项目中,他使用他的技术设计了一种零件,其支撑材料比依赖标准商业设计软件的传统增材制造工艺所需的材料少43%。

这种新方法源于钱有兴趣通过利用设计灵活性增材制造提供的方法来探索改善零件结构性能和功能的方法。例如,他设计的零件具有经过优化以散热的元件形状和拓扑结构。这些部件对于需要散热器的许多应用是有用的,包括在电子设备中。

合乎逻辑的下一步是优化零件的支撑结构。 “令人惊讶的是,我们没有看到其他人试图使用拓扑优化来实现这一目标,”钱说。

他说,如果有表面倾斜的区域朝下,则3D打印部件通常需要支撑。

但是,在拓扑优化过程中,工程师首先提供部件和总体设计目标的要求 - 然后计算机程序执行分析并生成理想的组件拓扑。

“所以挑战是,如果你事先不知道零件的几何形状,那么你怎么知道表面坡度以及你是否需要支撑?”钱说。

这就是他的突破进入的方式,有点像预测未来。

钱开发了一种计算需要支撑的零件表面积的方法 - 不知道零件的最终几何形状。他说,关键在于定义一种称为投射底切周长的新测量。 “当你计算这个新的测量时,它基本上对应于需要支持的区域,”他说。

通过将新测量结合到他的计算机模型中,Qian能够控制悬伸的数量和角度 - 从而最小化甚至消除支撑结构 - 在设计零件时。

因此,例如,他可以设计一个优化的组件,以尽可能多地散热,而无需制造任何支撑结构。

设计这样完全自支撑的部件是钱的一个活跃的研究领域,他的工作有望使制造商受益,他们不仅要在更短的时间内节省材料和制造零件,还要创造具有更多功能的新型零件。

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