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面向3D打印的复杂产品设计综述(三)

3 功能复杂性设计
        3D 打印技术具有制造任意复杂结构能力,这将从根本上突破结构设计局限,大幅度提升产品的功能。功能复杂性设计可分为免装配设计和宏微结构一体化设计,下面分别对这两种方法进行介绍。

3. 1 免装配设计
        免装配设计是指在不影响产品功能的前提下,以尽量避免装配或减少装配为目标的设计。免装配设计是在3D 打印环境下出现的一个新概念,它摆脱了传统装配设计技术束缚,对产品设计具有深远的影响。
        一些学者对免装配设计技术进行了研究,并得到一些初步成果。Lipson 等人利用3D 打印技术制造了几个具有复杂机械原理功能的典型结构,但并未对装配机理做深入研究。Mavroidis 等人采用3D 打印技术,对机器人的主要运动部件( 如转动关节、滑动机构以及万向节等) 进行免装配设计,并一次装配成形,且对关节间隙的取值问题进行了初步研究,其免装配的关节件如图3 所示。

面装配设计的关节件

        Laurentis 等人利用形状记忆合金设计并制造了具有5 个自由度的仿生机器手。Yang 等人利用3D 打印技术制造了不锈钢材料的十字轴万向联轴器。Cali 等人研究了铰接式结构的免装配设计问题,制造出了具有一定可控功能的手臂模型。免装配结构设计从构件一体化角度考虑,但在产品设计时,仍需设计者根据不同的铰接件设计相应的免装配结构。

3. 2 宏微观结构一体化设计
        3D 打印依据CAD 数据逐层累加材料,这一成形原理为制造技术从传统的宏观外形制造向宏微结构一体化制造发展提供了新契机。Aizenberg 等提出了直接制备微模板化单晶的方法,并且可以控制单晶的方向。Wanke 等人研究了光子带隙微结构的激光快速成形方法,该方法可以控制材料的光学性能。Sercombe 等人研究了铝质零件的快速成形制造方法,该方法通过改变材料的组织分布,进而保证零件的机械性能。Bian 等人采用陶瓷直接成形技术制造了生物陶瓷支架,该支架在孔径、相对密度和力学性能等方面均达到了骨组织工程的应用标准。李涤尘等人研究了面向3D 打印的宏微结构一体化设计方法及工程应用状况。

        这些研究表明,一些学者正在尝试将材料微结构与宏观结构进行并行设计,实现不同尺度下微结构的可控设计,以满足不同力学性能、物理性能等的需求。

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