复杂曲面薄壁结构3D打印大型件研究

摘要

随着汽车行业竞争的愈演愈烈，个性化和多样化成为未来汽车的发展趋势，如何缩短汽车的研发和生产周期成为各大汽车商关注的焦点。3D打印，又称为增材制造、快速原型技术，由于能够实现任意复杂结构且能够快速的实现制造等特点，在汽车行业、复杂产品及创新设计等方面受到了广泛的应用和关注。 3D打印凭借能够制造任意复杂结构的优势，在汽车等许多复杂曲面薄壁结构设计和制造中将发挥极为重要的作用。一方面，在3D打印应用端，保证力学性能的大型快速3D打印件是刚性需求；另一方面，3D打印的制造效率与模型体积成正比例关系，同时打印机的容积及大部件的制造过程冗长造成的不确定性会大大降低制造精度。 针对无法一次性打印复杂曲面薄壁结构大型模型的问题，本文提出了一整套基于FDM打印机的模型分割连接装配的方法。具体内容如下： （1）针对FDM类型3D打印工艺，本文采用考虑打印容积的“分而治之”的策略，从3D打印技术的打印原理及有利于后续装配定位等因素发出，提出了一种局部加厚光滑过渡连接体连接加胶接的连接方式。首先通过分析模型的主要受力形式，对连接结构进行三点弯曲实验，通过实验验证了连接结构的有效性。利用内聚力单元模拟两个单元之间的粘性连接的方式对连接结构进行有限元分析，通过实验与有限元仿真的力-位移曲线的对比，对有限元模型进行验证。为使本文设计的连接结构在轻量化的前提下仍然具有足够的强度，对连接结构进行进一步的尺寸优化。根据优化得到的帕累托解集选取兼顾轻量化和强度的解，为“分而治之”的装配方案提供了技术基础。 （2）针对复杂曲面薄壁结构大型模型，在Chopper分割算法的基础上提出了带有上述连接结构的分割算法框架。将大型三维模型分解为更小的部分，以适合打印机的打印容积。该算法考虑了可打印性、连接结构的稳定性、分割后连接缝隙的美观性以及打印后输出的打印顺序等因素，以车身曲面模型及鼠首模型为例，应用上述算法并完成模型的打印测试。 通过实例的分析，分割后打印模型不仅能够完成大尺寸的模型打印，而且采用多台打印机共同打印的方式极大缩短了打印周期，经过了适当的分割，打印时生成的支撑质量明显减少，从而减少了材料的使用，降低了打印成本。

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