研究人員設(shè)計(jì)模塊化3D打印復(fù)合空心梁

來(lái)源：廣西增材制造協(xié)會(huì)

在“設(shè)計(jì)與纏繞復(fù)合空心梁的模塊化3D打印的增強(qiáng)”一文中,，來(lái)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(dòng)的過(guò)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(duì)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(shí)際上,，最近幾十年來(lái),，許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題已經(jīng)成為半確定程序。在這里,，研究小組考慮了“設(shè)計(jì)易于剪切和屈曲壁不穩(wěn)定性的薄壁長(zhǎng)絲纏繞復(fù)合機(jī)床部件的最小重量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的工業(yè)問(wèn)題”,。橫梁層壓板是為承受動(dòng)態(tài)載荷而創(chuàng)建的，其壁面不穩(wěn)定性定義為自由振動(dòng)的本征頻率,。此處通過(guò)在橫梁中插入泡沫芯結(jié)構(gòu)從而解決了問(wèn)題,。但是，這樣做會(huì)導(dǎo)致成本高昂和勞動(dòng)密集型：

研究人員說(shuō)：“相反,，我們的目標(biāo)是自動(dòng)設(shè)計(jì)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(guò)使用更有效的凸線性公式”創(chuàng)建具有更輕量級(jí)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(dòng)頻率提高到特定水平以上，同時(shí)仍然避免了多個(gè)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(zhǎng)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(jiǎn)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(shí)，必須謹(jǐn)慎行事,。在創(chuàng)建成功的原型后,，團(tuán)隊(duì)從粗紗錘測(cè)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(cè)的良好一致性”。

考慮組合梁設(shè)計(jì)的整個(gè)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(dòng)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(huì)進(jìn)一步自動(dòng)進(jìn)行后處理,，并轉(zhuǎn)換為可用于無(wú)支撐增材制造的實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)的材料來(lái)改善結(jié)構(gòu)響應(yīng)，則表明在未來(lái)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(shuō)�,！傲硪粋�(gè)重要的未來(lái)增強(qiáng)之處在于,，通過(guò)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(lái)加速優(yōu)化算法�,！�

選定的實(shí)驗(yàn)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(cè),，（a）–（h）底部,。

如今，研究人員對(duì)創(chuàng)建復(fù)合材料如何改善3D打印過(guò)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?gòu)?fù)合材料到金屬線材的聚合等等。