Градиентная конструкция функциональных интегрированных частей по толщине стенок: баланс между прочностью и весом

Теоретическая основа проектирования с градиентом толщины стены

Проектирование с градиентом толщины стены относится к методу структурного проектирования, который распределяет различную толщину в одной и той же детали в соответствии с требованиями к несущей способности. В традиционных конструкциях толщина стенок деталей обычно сохраняется одинаковой. Хотя этот подход прост по конструкции, он часто приводит к перерасходу материала и избыточному весу. Проектирование градиента толщины стен основано на механическом анализе, увеличении толщины стенок в критических несущих зонах и уменьшении толщины стенок в зонах с низким напряжением для достижения оптимального распределения материалов. Эта концепция дизайна связана с принципами бионики, и многие биологические структуры (например, кости и бамбук) используют схожие стратегии распределения материалов.

Анализ нагрузки и планирование распределения толщины стенок

Чтобы выполнить расчет градиента толщины стены, сначала необходимо выполнить анализ несущей способности деталей. Анализ методом конечных элементов (FEA) используется для определения распределения напряжений в деталях при рабочих нагрузках и выявления областей с высоким и низким напряжением. При расчете толщины стенки в зонах с высокими нагрузками необходимо обеспечить, чтобы уровень напряжения был ниже допустимого напряжения материала, а минимальная толщина стенки определяется после учета коэффициента безопасности. Толщина стенки области с низким напряжением может быть уменьшена до минимума, допустимого процессом, обычно 0,8-1,5 мм. Изменение толщины стенки в переходной зоне должно быть плавным, чтобы избежать концентрации напряжений. Направление градиента толщины стенки должно соответствовать пути передачи нагрузки, что позволяет более эффективно размещать материал.

Ограничения процесса 3D-печати при расчете толщины стенок

При проектировании толщины стенок необходимо учитывать ограничения процесса 3D-печати. Минимальная толщина стенки зависит от точности процесса. Минимальная толщина стенки процесса FDM обычно в 1-2 раза превышает диаметр сопла (0,4-0,8 мм), процесс SLA может достигать 0,4 мм, а процесс SLM по металлу рекомендуется составлять не менее 0,5 мм. На максимальную толщину стенки влияют тепловыделение и напряжение. Слишком толстая твердая структура приведет к накоплению тепла и увеличению внутреннего напряжения. Толстостенную зону рекомендуется проектировать в виде полой конструкции с усиленными ребрами. Скорость изменения толщины стенки не должна быть слишком большой, рекомендуется не превышать изменение 10% на миллиметр во избежание дефектов в переходной зоне. Толщина стены подвесной зоны должна учитывать ее самонесущую способность. Слишком толстые подвесные стены склонны к провисанию.

Пример проектирования типичных деталей с градиентом толщины стенок

Возьмем каркас фюзеляжа дрона в качестве примера, чтобы проиллюстрировать применение дизайна с градиентом толщины стенок. Каркас фюзеляжа воспринимает тягу двигателя и посадочную нагрузку, причем наибольшие нагрузки приходится на точки крепления и соединения. При проектировании толщина стенки в месте установки двигателя установлена ​​равной 3 мм, чтобы обеспечить достаточную прочность и жесткость. Напряжение в середине рамы меньше, а толщина стенки уменьшается до 1,5 мм. Напряжения в зоне соединительного ребра меньше, а толщина стенки составляет 1 мм. Благодаря такой конструкции вес рамы снижается на 25 % по сравнению с конструкцией с одинаковой толщиной стенок, при этом максимальное напряжение остается в безопасном диапазоне. При печати плотность заполнения выбирается в соответствии с градиентом толщины стенок, при этом 100% заполнение толстостенных участков и 50% заполнение тонкостенных участков для дальнейшего снижения веса.

Проверка и оптимизация проекта градиента толщины стенки

После завершения проектирования градиента толщины стены необходимы проверка и оптимизация. Во-первых, это проверка моделирования. Анализ методом конечных элементов используется для расчета распределения напряжений при расчетной нагрузке и подтверждения местоположения и значения максимального напряжения. Вторым шагом является проверка печати, при которой фактические отпечатанные образцы измеряются для проверки размера и веса. Третья — функциональная проверка, при которой образец загружается и испытывается для измерения деформации и разрушающей нагрузки. Проведите итерации проектирования на основе результатов испытаний, чтобы скорректировать распределение толщины стенок. Для сложных деталей можно использовать программное обеспечение для оптимизации топологии, чтобы автоматически создавать планы распределения градиента толщины стенок для повышения эффективности проектирования.