3D打印手板模型基于有限元分析的優(yōu)化

目前3D打印手板模型的打印成本和打印時間都是制約3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素，采用有限元分析方法，對3D打印技術(shù)的三維模型進(jìn)行分析，在等強(qiáng)度理論的指導(dǎo)下，優(yōu)化設(shè)計造型，有利于降低打印成本，縮短打印時間。

有限元分析方法是在工程分析中常用的一種數(shù)學(xué)計算方法，基于離散數(shù)學(xué)理論，將單個或多個被分析的結(jié)構(gòu)離散成有限多個單元和節(jié)點，通過對單元和節(jié)點的計算，模擬整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的性能。例如，在設(shè)計初期的產(chǎn)品強(qiáng)度校核計算中，就通常采用有限元分析方法，針對產(chǎn)品后期實驗要求和工況條件，進(jìn)行模擬分析計算，可以預(yù)知產(chǎn)品設(shè)計是否能滿足強(qiáng)度性能要求，是否能通過后期檢測實驗和是否能應(yīng)對實際使用工況。有限元分析方法已經(jīng)是工程上成熟的計算方法，在3D打印手板模型的優(yōu)化改進(jìn)中，同樣可以引入有限元分析方法，在保證3D打印手板模型整體設(shè)計強(qiáng)度均衡、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對強(qiáng)度富裕區(qū)域進(jìn)行減材優(yōu)化改進(jìn)，可以減輕模型整體重量，從而達(dá)到節(jié)約打印成本(材料成本和時間成本)的目的。

以一款座椅的設(shè)計為例，首先對初始建立的模型進(jìn)行有限元分析：1.在座椅底部與地面固定的位置上施加固定全約束；2.在座面和靠背面上分別施加均布載荷，載荷值以一位體重100kg的人坐靠時對座椅的力近似計算得到,以壓力形式施加；3.模型材料為ABS，采用該材料默認(rèn)的物理屬性參數(shù),如密度、彈性模量、泊松比等；4.對模型用3D四面體單元進(jìn)行劃分；5.建立靜態(tài)力學(xué)求解模型，求解計算。

計算得出結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，此處主要通過模型中的應(yīng)力分布和變形情況為后續(xù)模型的優(yōu)化改進(jìn)指引方向，而對具體應(yīng)力、變形數(shù)值，由于輸入為模擬量，不分關(guān)注。