3D打印技術(shù)之3D打印模型結(jié)構(gòu)分析

　　3D打印技術(shù)促進(jìn)了產(chǎn)品個性化定制的普及與推廣，使得每個人都可以設(shè)計3D幾何模型，成為自己產(chǎn)品的設(shè)計師。他們由于缺乏一些設(shè)計經(jīng)驗與力學(xué)知識，會導(dǎo)致其設(shè)計結(jié)果直接3D打印后會存在一些結(jié)構(gòu)問題，如強(qiáng)度問題、穩(wěn)定性問題等。強(qiáng)度不足可能會使3D模型在打印、運輸或日常使用過程中受到破壞，而穩(wěn)定性問題則會導(dǎo)致3D模型無法正常地放置或懸掛，影響其日常使用功能。這種問題我們稱其為結(jié)構(gòu)分析問題，它的主要任務(wù)是識別3D模型中存在的強(qiáng)度或穩(wěn)定性缺陷，并給出適當(dāng)合理的彌補(bǔ)方案。

　　1、強(qiáng)度加固

　　針對強(qiáng)度問題，文獻(xiàn)給出了一個自動檢測并修正結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題的系統(tǒng)方案，來創(chuàng)建一個新的3D模型，使其與原有模型保持盡可能相近的外形，同時提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與整體性。該方案中，模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題通過一個輕量級的結(jié)構(gòu)分析解算器來計算識別出。隨后，根據(jù)所檢測出的強(qiáng)度問題，文中給出三種方法對原模型進(jìn)行修正：內(nèi)部挖洞、局部加厚與加支撐，如圖10所示。

　　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題與修正方法

　　文獻(xiàn)中的方案有效地提高了模型的結(jié)構(gòu)性能，避免了高強(qiáng)度應(yīng)力區(qū)域的出現(xiàn)。但是該方案的最大局限在于：在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測時，系統(tǒng)需要先預(yù)設(shè)模型可能承受的外部荷載情況，并據(jù)此對模型顯式地指定一種或幾種捏握式外部荷載來進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算。當(dāng)然，同時還需考慮模型的重力荷載。顯然，對很多模型來說，這種預(yù)設(shè)的荷載并不能很好地反映模型的真實荷載分布，因此其結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的真實性與可靠性也就不能很好地保證了。

　　2、最不利荷載

　　針對上面的問題，文獻(xiàn)給出了一個更好的方案。該方案在預(yù)測或檢測模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題時，與上述明確指定或設(shè)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(jù)此識別出模型上最易破壞之處或最大變形區(qū)域，如圖11所示。

　　Worst-Case計算實例

　　該方案的核心方法是模態(tài)分析(Modal　Analysis)，在結(jié)構(gòu)分析研究領(lǐng)域，當(dāng)一個物體以不同頻率振動時，這種振動會導(dǎo)致物體的一些脆弱部位產(chǎn)生高應(yīng)力或大變形。模態(tài)分析就是用來預(yù)測結(jié)構(gòu)在振動狀態(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(yīng)的薄弱區(qū)域;

　　(3)對每一個薄弱區(qū)域，通過求解一系列的優(yōu)化問題，計算出其相應(yīng)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(yīng)力，從而得到該薄弱區(qū)域的最大應(yīng)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(yīng)力分布情況，確定最終結(jié)果。