研究人員設計模塊化3D打印復合空心梁

來源：廣西增材制造協(xié)會

在“設計與纏繞復合空心梁的模塊化3D打印的增強”一文中,，來自捷克的研究人員用于制造生物打印復合材料,。他們的目標是創(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)復合材料,。最終,，他們需要的是對已經(jīng)設置了外部形狀的梁橫截面形狀進行基本優(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“設計易于剪切和屈曲壁不穩(wěn)定性的薄壁長絲纏繞復合機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，這樣做會導致成本高昂和勞動密集型：

研究人員說：“相反,，我們的目標是自動設計一種結(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打印機輕松制造�,！彼麄冞�擴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”層壓復合梁,，長1000毫米，截面為80×80毫米,，厚2.2毫米,。

例研究設置（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)和碳復合材料之間建立剛性連接時,，必須謹慎行事,。在創(chuàng)建成功的原型后，團隊從粗紗錘測試開始,，逐步進行了開發(fā),。彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切方面發(fā)現(xiàn)了“與模型預測的良好一致性”,。

考慮組合梁設計的整個結(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（允許纏繞最終的復合層）；復合層,，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)化輸出會進一步自動進行后處理，并轉(zhuǎn)換為可用于無支撐增材制造的實體模型,�,！�

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，則表明在未來的研究中將集中精力用高強度連續(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之處在于,，通過利用與基于段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分解相關聯(lián)的范圍-空間稀疏性來加速優(yōu)化算法,。”

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測，（a）–（h）底部,。

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