3D打印技術(shù)之3D打印模型結構分析

　　3D打印技術(shù)促進(jìn)了產(chǎn)品個(gè)性化定制的普及與推廣，使得每個(gè)人都可以設計3D幾何模型，成為自己產(chǎn)品的設計師。他們由于缺乏一些設計經(jīng)驗與力學(xué)知識，會(huì )導致其設計結果直接3D打印后會(huì )存在一些結構問(wèn)題，如強度問(wèn)題、穩定性問(wèn)題等。強度不足可能會(huì )使3D模型在打印、運輸或日常使用過(guò)程中受到破壞，而穩定性問(wèn)題則會(huì )導致3D模型無(wú)法正常地放置或懸掛，影響其日常使用功能。這種問(wèn)題我們稱(chēng)其為結構分析問(wèn)題，它的主要任務(wù)是識別3D模型中存在的強度或穩定性缺陷，并給出適當合理的彌補方案。

　　1、強度加固

　　針對強度問(wèn)題，文獻給出了一個(gè)自動(dòng)檢測并修正結構強度問(wèn)題的系統方案，來(lái)創(chuàng )建一個(gè)新的3D模型，使其與原有模型保持盡可能相近的外形，同時(shí)提高其結構強度與整體性。該方案中，模型的結構強度問(wèn)題通過(guò)一個(gè)輕量級的結構分析解算器來(lái)計算識別出。隨后，根據所檢測出的強度問(wèn)題，文中給出三種方法對原模型進(jìn)行修正：內部挖洞、局部加厚與加支撐，如圖10所示。

　　結構強度問(wèn)題與修正方法

　　文獻中的方案有效地提高了模型的結構性能，避免了高強度應力區域的出現。但是該方案的最大局限在于：在結構強度檢測時(shí)，系統需要先預設模型可能承受的外部荷載情況，并據此對模型顯式地指定一種或幾種捏握式外部荷載來(lái)進(jìn)行結構強度計算。當然，同時(shí)還需考慮模型的重力荷載。顯然，對很多模型來(lái)說(shuō)，這種預設的荷載并不能很好地反映模型的真實(shí)荷載分布，因此其結構分析結果的真實(shí)性與可靠性也就不能很好地保證了。

　　2、最不利荷載

　　針對上面的問(wèn)題，文獻給出了一個(gè)更好的方案。該方案在預測或檢測模型結構強度問(wèn)題時(shí)，與上述明確指定或設定模型的荷載情況方法不同的是，它去尋找一種最不利荷載情況(Worst-Case)，并據此識別出模型上最易破壞之處或最大變形區域，如圖11所示。

　　Worst-Case計算實(shí)例

　　該方案的核心方法是模態(tài)分析(Modal　Analysis)，在結構分析研究領(lǐng)域，當一個(gè)物體以不同頻率振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)會(huì )導致物體的一些脆弱部位產(chǎn)生高應力或大變形。模態(tài)分析就是用來(lái)預測結構在振動(dòng)狀態(tài)下可能發(fā)生的破壞或變形的一種經(jīng)典方法。

　　該方案的主要步驟如下：

　　(1)計算輸入模型的各階模態(tài);

　　(2)對模型的每一階模態(tài)，計算提取出相應的薄弱區域;

　　(3)對每一個(gè)薄弱區域，通過(guò)求解一系列的優(yōu)化問(wèn)題，計算出其相應的最不利荷載分布;

　　(4)用有限元方法計算在上述荷載分布作用下模型的應力，從而得到該薄弱區域的最大應力分布情況。

　　綜合以上每一階模態(tài)下模型的最不利荷載分布與最大應力分布情況，確定最終結果。