桑迪亞國家實驗室以一種新的方式研究3D打印望遠鏡

近日，一個桑迪亞國家實驗室的團隊通過熟悉的3D打印建立了一個望遠鏡，演示如何通過增材技術設計制造產品，以本次設計顯示該技術的長處和短處。在桑迪亞為期三年的實驗室開發(fā)和研究項目中證明了把增材技術制造作為一種全新的設計工具的可行性，Ted Winrow 領導該實驗項目，其中從手繪到電腦輔助設計到加工零件的標準技術與傳統(tǒng)方案是截然不同的。

該項目的目的是如何將精度較低的3D打印零件和精密工具放在一起，而不是將精力放在打印精密零件上，總之利用增材制造技術進行快速設計和制造低精度產品部件。

Winrow說：“與傳統(tǒng)設計相比有細微區(qū)別，你必須設計不同的方案，并且該方案還沒有插入標準的設計過程?！彼f：“在傳統(tǒng)制造的望遠鏡的三分之一時間內，該團隊制造了一個重量更輕，價格更便宜的地面望遠鏡，其成本約為傳統(tǒng)制造成本的五分之一，他們使用3D打印元件和模塊化設計，并為望遠鏡光學設計提供圖像校正算法，這些統(tǒng)統(tǒng)有利于節(jié)省資金?！?br />
該技術從重復性成本中節(jié)約資金，Winrow補充道：“產品部件的每一個部分都必須精確，其生產費用不是一次性的（每件產品需通過機械加工），這樣你只需購買一套你可以使用10年的工具，所以當你進行生產時，你可以節(jié)省成本。同時您也節(jié)省了時間，因為您不需要等待每件產品通過機械加工?！?br />

精確的公差與精確裝配

有兩種方法可以構建任何精密結構：將每件材料制成精確的公差，以便裝配的簡單化，或著制作粗糙的零件，并使用非常精確的裝配工藝來彌補尺寸的不足。

機械加工可以制造出尺寸極其精確的零件，但它不能便宜地制造出產品或著這些產品是在某些情況下是功能和重量方面具有優(yōu)勢的復雜3-D打印產品。增材制造技術可以形成材料聚合物、陶瓷或金屬，同時它也能創(chuàng)建一個零件。現(xiàn)在正在研究該技術如何影響材料的特性以及特性變化是否在特定用途中起作用。

由Sandia國家實驗室團隊使用增材制造技術創(chuàng)建望遠鏡的詳細視圖。 來自：桑迪亞國家實驗室

Winrow說：“我們可以設計一個不關心你的材料是否不如你預期的那么好？不關心你的零件不是尺寸精確的系統(tǒng)嗎？如果你讓該系統(tǒng)對增材制造精度不敏感，那么你就會充分利用增彩制造技術的所有優(yōu)點。”

例如，標準相機有一個凸緣，它必須非常精確，因為該凸緣的位置確定了鏡頭所在的位置。桑迪亞的項目，創(chuàng)造了一個與望遠鏡鏡頭一起工作的沒有窗臺的直筒。然而Winrow說：“我們使用非常精密的工具將鏡頭保持在非常精確的位置。 我們將鏡頭放在正確的位置，然后在其周圍注入環(huán)氧樹脂并將其固定到位，由于過程中的環(huán)氧樹脂幫助固定鏡頭位置，我們可以制造尺寸不太精確的零件。 但這個整體是精確。”

桑迪亞申請專利，設計望遠鏡鏡架的一部分，整體鈦制曲面。彎曲是指像剛性體之間的接頭一樣使用的廣泛的元件。連接、線性或旋轉運動，是通過彎曲元件產生的。將金屬剛性件安裝到玻璃上不起作用，因為這兩種材料隨著溫度的變化以不同的速率膨脹和收縮，并且玻璃可能變形甚至破裂。

盡管它看起來不像螺旋彈簧，但彎曲的作用就像彈簧一樣。桑迪亞的設計大致為圓柱形，長約2英寸，直徑為0.75英寸，彎曲葉片非常薄。三個彎曲安裝座用環(huán)氧樹脂固定在反射鏡上，緩解反射鏡與碳纖維主干連接處的膨脹和收縮應力。

  

使用增材制造技術，桑迪亞國家實驗室團隊使用望遠鏡拍攝的原始圖像，軟件校正得到清晰，清晰的圖像。 來自：桑迪亞國家實驗室

Sandia為項目期間設計的部件尋求專利

精密機械設計團隊邀請Sandia光學設計師Jeff Hunt、算法大家Dennis Lee和Eric Shields一起工作。Winrow表示，鏡頭設計會產生扭曲和其他錯誤的原始圖像。軟件算法比其他算法更好地修正這種類型的錯誤，因此鏡頭設計中的錯誤是算法擅長糾正的類型。

Winrow說：“這個想法是你可能沒有那么精確的光學系統(tǒng)，并且圖像基本上是在事實之后用軟件進行校正的。這與我們設計機械硬件對增材制造缺陷不敏感系統(tǒng)并利用其優(yōu)點相似，Jeff對系統(tǒng)的光學部件進行了優(yōu)化，使軟件保持了算法無法完成的圖像屬性。現(xiàn)在您花費傳統(tǒng)光學系統(tǒng)三分之一的錢，但你可以獲得與傳統(tǒng)光學相同的性能?！?br />
他說，該項目已經結束，但桑迪亞結構設計師現(xiàn)在正在使用從該項目得到的信息。

Winrow總結道：“這就是該項目所展示增材制造如何使其更快，更便宜的形成產品，如果事實上就你可以放棄的東西你可以通過其他方案進行彌補，它（該思想）會在設計方面開辟領域。”

來源：材料科技在線