Theoretische basis van het ontwerp van wanddiktegradiënten
Het ontwerp van wanddiktegradiënten verwijst naar een structurele ontwerpmethode die verschillende diktes in hetzelfde onderdeel verdeelt op basis van de dragende vereisten. Bij traditionele ontwerpen wordt de wanddikte van onderdelen doorgaans uniform gehouden. Hoewel deze aanpak eenvoudig van opzet is, resulteert deze vaak in verspilling van materiaal en overtollig gewicht. Het ontwerp van de wanddiktegradiënt is gebaseerd op mechanische analyse, waarbij de wanddikte in kritieke dragende gebieden wordt vergroot en de wanddikte in gebieden met weinig spanning wordt verminderd om een optimale verdeling van materialen te bereiken. Dit ontwerpconcept is verbonden met de principes van de bionica, en veel biologische structuren (zoals botten en bamboe) hanteren vergelijkbare materiaaldistributiestrategieën.
Belastinganalyse en planning van de wanddikteverdeling
Om een wanddiktegradiëntontwerp uit te voeren, moet u eerst een belastinganalyse op de onderdelen uitvoeren. Eindige-elementenanalyse (FEA) wordt gebruikt om de spanningsverdeling van onderdelen onder bedrijfsbelastingen te bepalen en gebieden met hoge en lage spanning te identificeren. Het ontwerp van de wanddikte in gebieden met hoge spanning moet ervoor zorgen dat het spanningsniveau lager is dan de toegestane spanning van het materiaal, en de minimale wanddikte wordt bepaald na overweging van de veiligheidsfactor. De wanddikte van het gebied met lage spanning kan worden teruggebracht tot het minimum dat door het proces wordt toegestaan, meestal 0,8-1,5 mm. De verandering van de wanddikte in de overgangszone moet voorzichtig zijn om spanningsconcentratie te voorkomen. De richting van de wanddiktegradiënt moet consistent zijn met het belastingoverdrachtspad, waardoor een efficiëntere materiaalplaatsing mogelijk is.
Beperkingen van het 3D-printproces op het ontwerp van de wanddikte
Bij het ontwerp van de wanddikte moet rekening worden gehouden met de beperkingen van het 3D-printproces. De minimale wanddikte is afhankelijk van de procesnauwkeurigheid. De minimale wanddikte van het FDM-proces is gewoonlijk 1-2 keer de mondstukdiameter (0,4-0,8 mm), het SLA-proces kan 0,4 mm bereiken en het SLM-metaalproces wordt aanbevolen om niet minder dan 0,5 mm te zijn. De maximale wanddikte wordt beïnvloed door warmteafvoer en spanning. Een te dikke vaste structuur veroorzaakt warmteaccumulatie en verhoogt de interne spanning. Het verdient aanbeveling om de dikwandige ruimte uit te voeren als een holle structuur met versterkte ribben. De veranderingssnelheid van de wanddikte mag niet te groot zijn en het wordt aanbevolen om een verandering van 10% per millimeter niet te overschrijden om defecten in de overgangszone te voorkomen. Bij de wanddikte van het hangende gebied moet rekening worden gehouden met het zelfdragende vermogen ervan. Te dikke hangende muren zijn gevoelig voor doorzakken.
Casestudy van wanddiktegradiëntontwerp van typische onderdelen
Neem het drone-rompframe als voorbeeld om de toepassing van wanddiktegradiëntontwerp te illustreren. Het rompframe draagt de stuwkracht van de motor en de landingsimpact, met de grootste spanning op de bevestigingspunten en verbindingen. Tijdens het ontwerp is de wanddikte in het montagegebied van de motor ingesteld op 3 mm om voldoende sterkte en stijfheid te garanderen. De spanning in het midden van het frame is kleiner en de wanddikte is teruggebracht tot 1,5 mm. De spanning in het verbindingsribgebied is lager en de wanddikte is 1 mm. Met dit ontwerp wordt het framegewicht met 25% verminderd ten opzichte van een ontwerp met uniforme wanddikte, terwijl de maximale spanning binnen een veilig bereik blijft. Bij het printen wordt de vuldichtheid geselecteerd op basis van de wanddiktegradiënt, met 100% vulling in dikwandige gebieden en 50% vulling in dunwandige gebieden om het gewicht verder te verminderen.
Verificatie en optimalisatie van het ontwerp van de wanddiktegradiënt
Nadat het ontwerp van de wanddiktegradiënt is voltooid, zijn verificatie en optimalisatie vereist. De eerste is simulatieverificatie. Eindige-elementenanalyse wordt gebruikt om de spanningsverdeling onder de ontwerpbelasting te berekenen en de maximale spanningslocatie en -waarde te bevestigen. De tweede stap is printverificatie, waarbij daadwerkelijke gedrukte monsters worden gemeten voor inspectie van formaat en gewicht. De derde is functionele verificatie, waarbij het monster wordt geladen en getest om de vervorming en faalbelasting te meten. Voer ontwerpiteraties uit op basis van testresultaten om de wanddikteverdeling aan te passen. Voor complexe onderdelen kan topologie-optimalisatiesoftware worden gebruikt om automatisch wanddiktegradiëntverdelingsplannen te genereren om de ontwerpefficiëntie te verbeteren.
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.