研究人員設(shè)計模塊化3D打印復(fù)合空心梁

來源：廣西增材制造協(xié)會

在“設(shè)計與纏繞復(fù)合空心梁的模塊化3D打印的增強(qiáng)”一文中，來自捷克的研究人員用于制造生物打印復(fù)合材料。他們的目標(biāo)是創(chuàng)建一種新的、全自動的過程，以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)薄壁和空心梁的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。最終，他們需要的是對已經(jīng)設(shè)置了外部形狀的梁橫截面形狀進(jìn)行基本優(yōu)化。

這種類型的研究并不完全是新穎的。實際上，最近幾十年來，許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題已經(jīng)成為半確定程序。在這里，研究小組考慮了“設(shè)計易于剪切和屈曲壁不穩(wěn)定性的薄壁長絲纏繞復(fù)合機(jī)床部件的最小重量內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工業(yè)問題”。橫梁層壓板是為承受動態(tài)載荷而創(chuàng)建的，其壁面不穩(wěn)定性定義為自由振動的本征頻率。此處通過在橫梁中插入泡沫芯結(jié)構(gòu)從而解決了問題。但是，這樣做會導(dǎo)致成本高昂和勞動密集型：

研究人員說：“相反，我們的目標(biāo)是自動設(shè)計一種結(jié)構(gòu)有效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使用傳統(tǒng)的低成本3D打印機(jī)輕松制造?！彼麄冞€擴(kuò)展了線性半定式編程，以創(chuàng)建全局最優(yōu)的最小重量的格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

通過使用更有效的凸線性公式”創(chuàng)建具有更輕量級內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原型，可以提高剛性。這允許將基本自由振動頻率提高到特定水平以上，同時仍然避免了多個特征值的典型性。此處樣品的基本結(jié)構(gòu)是“棱鏡”層壓復(fù)合梁，長1000毫米，截面為80×80毫米，厚2.2毫米。

例研究設(shè)置（a）外形尺寸和簡單支撐的邊界條件，（b）棱柱形橫截面，以及（c）壓模載荷箱。

研究人員指出，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和碳復(fù)合材料之間建立剛性連接時，必須謹(jǐn)慎行事。在創(chuàng)建成功的原型后，團(tuán)隊從粗紗錘測試開始，逐步進(jìn)行了開發(fā)。彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切方面發(fā)現(xiàn)了“與模型預(yù)測的良好一致性”。

考慮組合梁設(shè)計的整個結(jié)構(gòu)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)（用于減少墻體不穩(wěn)定性和增加最低自由振動頻率）；內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)的外殼（允許纏繞最終的復(fù)合層）；復(fù)合層，傳輸施加到梁上的工作載荷。

“非均勻分布的格子狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化輸出會進(jìn)一步自動進(jìn)行后處理，并轉(zhuǎn)換為可用于無支撐增材制造的實體模型?！?br />
研究人員總結(jié)到：“與CFRP相比，使用比原版CFRP高出兩個數(shù)量級的材料來改善結(jié)構(gòu)響應(yīng)，則表明在未來的研究中將集中精力用高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維代替ABS，”研究人員總結(jié)說。“另一個重要的未來增強(qiáng)之處在于，通過利用與基于段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分解相關(guān)聯(lián)的范圍-空間稀疏性來加速優(yōu)化算法?！?br />

選定的實驗確定的固有頻率和振型，（a）–（h）頂部，以及本征模和本征頻率的有限元模型預(yù)測，（a）–（h）底部。

如今，研究人員對創(chuàng)建復(fù)合材料如何改善3D打印過程非常感興趣，這些方法主要用于增強(qiáng)材料，從玻璃復(fù)合材料的使用到銅金屬復(fù)合材料到金屬線材的聚合等等。