研究人员设计模块化3D打印复合空心梁

来源：广西增材制造协会

在“设计与缠绕复合空心梁的模块化3D打印的增强”一文中，来自捷克的研究人员用于制造生物打印复合材料。他们的目标是创建一种新的、全自动的过程，以创建结构薄壁和空心梁的结构复合材料。最终，他们需要的是对已经设置了外部形状的梁横截面形状进行基本优化。

这种类型的研究并不完全是新颖的。实际上，最近几十年来，许多结构优化问题已经成为半确定程序。在这里，研究小组考虑了“设计易于剪切和屈曲壁不稳定性的薄壁长丝缠绕复合机床部件的最小重量内部结构的工业问题”。横梁层压板是为承受动态载荷而创建的，其壁面不稳定性定义为自由振动的本征频率。此处通过在横梁中插入泡沫芯结构从而解决了问题。但是，这样做会导致成本高昂和劳动密集型：

研究人员说：“相反，我们的目标是自动设计一种结构有效的内部结构，该结构可以使用传统的低成本3D打印机轻松制造。”他们还扩展了线性半定式编程，以创建全局最优的最小重量的格状内部结构。

通过使用更有效的凸线性公式”创建具有更轻量级内部结构的原型，可以提高刚性。这允许将基本自由振动频率提高到特定水平以上，同时仍然避免了多个特征值的典型性。此处样品的基本结构是“棱镜”层压复合梁，长1000毫米，截面为80×80毫米，厚2.2毫米。

例研究设置（a）外形尺寸和简单支撑的边界条件，（b）棱柱形横截面，以及（c）压模载荷箱。

研究人员指出，在内部结构和碳复合材料之间建立刚性连接时，必须谨慎行事。在创建成功的原型后，团队从粗纱锤测试开始，逐步进行了开发。弯曲、扭转和剪切方面发现了“与模型预测的良好一致性”。

考虑组合梁设计的整个结构：内部结构（用于减少墙体不稳定性和增加最低自由振动频率）；内部梁结构的外壳（允许缠绕最终的复合层）；复合层，传输施加到梁上的工作载荷。

“非均匀分布的格子状内部结构的优化输出会进一步自动进行后处理，并转换为可用于无支撑增材制造的实体模型。”

研究人员总结到：“与CFRP相比，使用比原版CFRP高出两个数量级的材料来改善结构响应，则表明在未来的研究中将集中精力用高强度连续碳纤维代替ABS，”研究人员总结说。“另一个重要的未来增强之处在于，通过利用与基于段的内部结构分解相关联的范围-空间稀疏性来加速优化算法。”

选定的实验确定的固有频率和振型，（a）–（h）顶部，以及本征模和本征频率的有限元模型预测，（a）–（h）底部。

如今，研究人员对创建复合材料如何改善3D打印过程非常感兴趣，这些方法主要用于增强材料，从玻璃复合材料的使用到铜金属复合材料到金属线材的聚合等等。