3D打印飞机零件支撑设计

毕业设计（论文）题目： 3D打印飞机零件支撑设计3D打印飞机零件的优化设计摘要：3D打印技术备受国内外关注，快速发展为一种趋势，同样的传统的制造行业面临这巨大变化。在航空航天方向，高强度、耐高温、精度高飞行器的设计需求针对飞行器设计及制造工艺要求更高，特别是大尺寸，复杂结构多的零部件，然而3D打印技术整体化制造技术特别适合制造大尺寸、复杂结构零件及定制的变批量零件。相对于传统制造技术，3D打印技术有着其独特优势。当前飞机设计时间过长，总是超出生产周期，难以满足优化的设计，基于这些问题针对飞机零件的布局及零件所含元素进行优化设计，已达到减少材料损耗，制造费用少及刚度、强度等要求，采用优化设计。随着对飞机零件制造工艺要求的提高，目前制造行业尤其关注3D打印技术，根据飞机零部件的制造要求，使用3D打印技术制造零件。本文介绍3D打印技术的成型特点，说明3D打印技术研究目标及优化设计方案，最后从零件结构特征、结构的稳定性、制造时间及成本等方面进行案例分析，求出最佳3D打印方式。关键词：3D打印飞机零件优化设计指导老师签名：OptimizedDesignof3DPrintingAircraftPartsAbstract:3Dprintingtechnologyhasattracteddomesticandinternationalattention,therapiddevelopmentofatrend,thesametraditionalmanufacturingindustryisfacingthisgreatchange.Intheaerospacedirection,highstrength,hightemperature,highprecisionaircraftdesignrequirementsforaircraftdesignandmanufacturingprocessrequirementsarehigher,especiallylargesize,complexstructureandmoreparts,butthe3DprintingtechnologyintegratedmanufacturingtechnologyisparticularlysuitableformanufacturingLargesize,complexstructuralpartsandcustomvariableparts.Comparedtotraditionalmanufacturingtechnology,3Dprintingtechnologyhasitsuniqueadvantages.Thedesignofthecurrentaircraftistoolong,alwaysbeyondtheproductioncycle,itisdifficulttomeettheoptimaldesign,basedontheseproblemsfortheaircraftpartslayoutandpartscontainedintheoptimizationdesign,hasachievedmaterialloss,lessmanufacturingcostsandstiffness,strengthRequirements,usingoptimizeddesign.Withtheincreaseinaircraftpartsmanufacturingprocessrequirements,themanufacturingindustryisparticularlyconcernedaboutthe3Dprintingtechnology,accordingtotheaircraftpartsmanufacturingrequirements,theuseof3Dprintingtechnologymanufacturingparts.Thispaperintroducestheformingcharacteristicsof3Dprintingtechnology,illustratestheresearchgoalandoptimizationdesignof3Dprintingtechnology.Finally,thebest3Dprintingmethodisobtainedfromtheaspectsofstructuralfeatures,structuralstability,manufacturingtimeandcost.Keywords:3DprintingaircraftpartsoptimizationdesignSignatureofSupervisor:目录TOC\o"1-3"\h\u191891.绪论 1267771.1引言 153621.2课题背景 2147991.3国内外研究现状 3246881.4研究目标和内容 5133322.3D打印飞机零件设计方案 633272.1设计任务分析 6182762.2零件设计 6180972.2.1建模工具 69032.2.2零件建模 726242.3模型的切片 8138472.4支撑设计规则 12193252.5确定制造最优方向 13301373.案例分析与研究 15225723.1最优打印方向 15276603.2最优模型 1888823.3三维打印优化结构优化研究 21317714.总结与展望 2915172参考文献 304435致谢 31 绪论1.1引言随着工业革命的不断变革，工业一体化现象越来越来明显，人们对生活品质要求变高，因此对产品的观赏性和复杂性需求不断提高，反而对部分复杂结构的产品，用传统的制造模式无法直接加工制造这些产品，只能分别加工产品的零部件，制造好后运用合理的装配组合得到该产品，但是制造出来的产品整体的稳定性、结构强度、精准度都有一定的缺陷。传统的制造模式是一个减材制造过程，耗费大量材料，不便于节省生产成本。3D打印技术相对于传统的成型模具加工，它是一种快速成型技术，利用数字化模型，运用一些简便材料，便可以实现所设计的复杂产品，不用大批工装设备等来制造便可以完成任务，适合单件零件制造，避免模具零件浪费。3D打印技术是一种创新的加工工艺技术，称作“增材制造技术”或“堆积成型技术”。该技术运用了离散堆积基本原理，建立3D模型，对不同要求的工艺产品，运用合适厚度对打印零件进行分层，将3D数字模型切片成层层2D模型，对2D模型的曲线结构进行打印。然后处理所应用的数据，代入零件参数，形成数控编程代码，在数控系统下，实现从线到面，从面到体的连续加工过程，层层堆积薄片过程，制造出整体式结构零件，常应用3D打印技术如表1-1。表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s113D打印类型类型成型技术基本材料支撑结构材料形态挤压熔融沉积式成型热塑性塑料，共晶系統金属有丝状粒状直接金属激光烧结几乎合金无粉末状电子束熔化成型钛合金无选择性激光熔化成型钛合金、不锈钢、铝无选择性热烧结热塑性粉末无选择性激光烧结热塑性塑料、金属陶瓷粉末无层压分层实体制造纸、金属膜、塑料薄膜无薄膜状光聚合立体平板印刷光硬化树脂无液态1.2课题背景工业革命促进社会生产力发展很大程度上提高劳动效率，是产品质量大幅度提高，3D打印对传统制造业产生巨大影响，很大程度上满足制造工艺的复杂性和结构的完整性。目前很多行业应用3D打印技术，减少传统制造业所需求的劳动力、设备成本，工人技术，生产车间流程等，3D技术在这些领域得到广阔的发展机会。从市场前景和需求来讲，3D打印技术开发潜力很大，但对中国而言不容乐观，虽然国内3D打印企业疯狂发展，但是企业收的利润却很少，很多企业没有办法继续经营，何况，与国外发达国家对比，国内技术还只是在初级阶段，而且有关零件的核心内容基本没有。在制造行业，我国虽不可能是主导者，但是我国自主创新和学习国外经验，3D打印问题需要解决。国外针对3D打印技术研究比较深入，针对模型进行拓扑优化研究，获取较好打印方式。研发自主的软件系统，配用不同型号的3D打印机，满足各领域的产品要求。国内对3D打印优化模型太少，模型得不到较好优化，模型打印方向则需要的材料和规模化成本增加，那么3D打印技术将很难发展下去。即使3D打印技术在飞机零件制造领域已得到应用，该技术同样也有很多优势没有展现出来。虽然很大一部分的研究所针对3D打印技术展开研究及得到零件的实用性，但是几乎没有实用的航空零件。根据这些案例总结出如下几点：第一飞机原有的零件模型理论已经是长期研究出来的，突然零件模型运用3D打印技术加工没有明显效果而且会出现很多问题；第二目前3D打印原材料要求多并且材料价格贵，加工零件的材料种类不多，相较于其他制造的材料还是相差很大，飞机零件对材料性能要求相当苛刻，目前还没找到合适相对应的材料；第三虽然3D打印技术逐步进入市场并且未来发展快，但是存在很多社会悖论，可能初期问题不大往往被忽略了，犹如克隆一样，那么美好的事物也不会被人们认可；第四3D打印技术还没有成熟并且相关技术人员比较少，针对3D打印技术还有很长的一段研究过程，导致在各行业内应用还是存在一定的危险性。本课题研究是一种3D打印优化设计的飞机零件，来满足飞机零件整体制造。增材制造比传统制造容易加工含有复杂元素的几何零件，符合零件设计要求以确保可制造性。根据确定的增材制造规则的设计，修改理论提出相关的方法完成最佳的拓扑结构，成功实现制造零件模型，来保证制造的可能性且不需要多余的支撑材料。通过比较计算所设计的飞机零件的可制造方向所花费制造时间、材料质量和制造成本，来确定最佳制造方向。1.3国内外研究现状根据国内外对3D打印技术的研究来看，3D打印技术的研究为制造领域提供一个很大便利。在应用行业内，3D打印应用广泛行业有日常工艺品、交通类、医疗、教学仪器、航空航天、建筑业等，国内外3D打印技术发展迅速，考虑行业内成本、材料等问题，为了改技术得到更好应用，正在逐步完善。3D打印技术为航空工业产品制造提供一个优势，很大程度上可以解决减轻零件重量、减少制造时间、提高材料利用率、节省成本等。飞机零件的轻质零件、曲线结构复杂零件优化设计为3D打印应用层面提供了一个很好的方案。（1）3D打印技术国外研究现状从20世纪90年代初期，国外发达国家规划了3D打印技术发展路径。最初美国针对快速成型制造技术研究，美国著名研究单位针对该技术设计、实验、试用等一系列研究措施，完成工业革命行程。美国14所各州知名高校、40多家企业单位和相关协会携手创办3D打印技术研究单位，大力发展增材制造技术。相较于美国，其他一些国外发达国家相继采取措施，德国创办主要研究3D打印技术在航空航天行业零件优质化等的实验中心；英国对3D打印技术加大研究投资，在各大高校创办实验研究中心，便于新一代的年轻人接触该技术。虽然美国领先掌握3D打印技术，但是欧盟抢先获得政府及各高校研究中心的支持。美国的政府投资远远低于欧盟，如英国的快速成型制造中心、欧盟的航空航天第六框架计划工程，国外自主研发增材制造技术，改变航空领域整体零件难以制造的面貌。美国为完成钛合金零件生产工程运用激光增材制造技术。相比于传统制造工艺生产利用率提高，如此以来F-15喷气式战斗机的钛合金翼肋制造技术采用3D打印尤为合适，传统制造的翼肋强度结构不稳定，风险性高，没有办法满足飞机的飞行性能要求。美国对增材制造划分成设计、生产材料、制造工艺、增材制造组和产品价值链，并且制定2013-2020年的发展工作流程。3D打印将成为美国国防制造零部件的重要技术，从打印的飞机、火箭的零件装配使用后，零件应用效果满足飞机的飞行性能。空客公司的A350XWB飞机使用了1000多个3D打印的零件，提高生产效益。罗·罗公司顺利试飞了应用增材制造的发动机的飞机（图1-1），保证交货时间、节省原材料、零件质量等。随着3D打印技术应用扩大，三维打印的模型应用在航空航天上，采用不同的建模技术，主要考查零件模型的几何元素、加工精度、性能要求，有关3D打印零件优化设计的学术理论不断提出，3D打印技术在欧美国家应用前景好。图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s113D打印发动机零件（2）3D打印技术国内研究现状在我国，由于各种客观因素的存在，3D打印技术的研究开发相较于国外发展晚。然而在国家政府大力帮助下，相关研究所和某些高校研究3D打印零部件。在20世纪末，清华大学开发熔融沉积成型技术，研发新型工艺设备。北京航空航天大学成功开发钛合金的飞机零部件激光熔快速成型制造工艺技术，加工TC4、TA15、TC2等钛合金抗高温、抗疲劳强度等钛合金达到制造要求。TA15钛合金角盒、座舱座椅支撑座等零件采用快速成型加工，顺利应用在各类飞机上。钛合金是飞机上重要的零件材料主要特点是密度小、耐热性高、强度高。采用传统的车铣、铸造等工艺加工该类零件时，加工后残次品居多，浪费毛坯材料多。在制造流程中，大概切削或损坏90%的钛合金毛坯材料，这样导致制造一架飞机的成本相当高。还有一点尤其注意3D打印技术不用专用模具，制造成本降低，制造零件节省人力材料。中国采用3D打印技术加工飞机起落架、飞机翼梁、机身框架并且装配试用很成功。曾经飞机设计师孙聪描述J-15的起落架是由国内3D打印制造出来的，轻质材料的应用满足舰载机的飞行性能。西北工业大学成功研发激光立体成型3D打印机，可以制造和修复外形大而复杂的飞机零件，特别是第一架国内自主研发生产路线大客机C919的超长承载的钛合金翼梁如图1-2。图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s12C919客机（3）3D打印技术发展趋势3D打印技术是在工业革命路上提出来的，改变原来的制造模式实现工业革命的新面貌。3D打印完成航空制造中大而复杂构建制造，可以完成整体构建一体化，减少零件数目和装配零件额外质量，是整体飞机质量减少，装配连接应力集中减少，承受载荷强度增加，提高飞机制造经济效益。虽然3D打印飞机零件技术应用不多，针对整体复杂制造零件和单件制造较多，但是生产成本低，制造时间短，收益快，达到飞机性能要求快，只要解决零件设计和材料限制等几个主要问题，就会快速发展3D打印飞机一体化。随着技术不断进步，制造零件工艺成功率高。只要3D打印解决整体材料、零件模型优化和支撑技术等问题，就可以大面积应用于民机和军机上。空客公司预想运用3D打印技术发展民机，构想蜂窝式网格结构制造整体化机体，外框运用其他材料透明填充，使民机机体从里往外可观看全程面貌。总之解决3D打印的支撑结构优化、模型优化等核心技术，应用前景相当可观。1.4研究目标和内容目标：通过实际飞机零件的应用要求，从理论上对飞机零件模型进行设计，并且用飞机零件模型应用切片软件，从理论上分析在对应状态的材料用量、稳定性，随着打印角度变化，成本及时间变化，得出最佳打印方向，然后在该方向下，对飞机零件模型进优化设计，分析优化后模型，最后获得优化后的飞机零件模型。本文研究的内容围绕一下几个方面展开：收集国内外相关资料，对目前采用3D打印技术的飞机零件发展现状进行整理归纳。从零件模型出发，模型含有各类元素直线、曲线、角度、缺口等，针对这些元素对零部件进行三维建模。对已经设计好的模型，利用切片软件进行支撑设计，支撑结构设计随位置变化而变化，模拟制造模型得出材料用量、制造时间和制造成本，进行强度、稳定性分析，通过比较得出最佳支撑方向。在最佳的支撑方向下，对原有飞机零件模型进行优化设计，比较分析支撑用量和制造时间，得出最优飞机零件模型。根据3D打印飞机零件的要求，设计方案主要解决以下几个问题：零件模型，飞机零件很多，但是大部分包括平面、曲面有无缺口等，所以根据其特点可以抽象设计三维零件模型。切片方向，3D打印技术里支撑方向不同，支撑材料用料直接影响制造的成本，从不同角度模拟分析设计的零件，得到最佳打印方向。优化零件模型，利用三维软件对原模型进行角度内部结构变化，采用切片软件模拟优化后的模型，然后对材料质量成本分析比较，获取最佳模型。2.3D打印飞机零件设计方案2.1设计任务分析根据任务书的设计要求及3D打印飞机零件设计的相关要求，在整体的设计中，理想化模型的几何结构、特征元素，零件模型从设计二维模型，后经过拉伸、挖空、倒圆等获得三维模型，模型所含特征平面、曲面、柱面等，设计模型保证能反映飞机大部分零件特点。然后对设计模型增材制造，模拟出3D打印模型的加工参数结果。通过一系列的角度变化，支撑材料分布不同，比较分析所得结果，创新结构优化设计模型。由于增材制造的设计包括最小特征尺寸、允许制造的倾斜角度相关要求，通常使用支撑材料来实现倾斜角度，支撑材料填充可扩展几何的包络体，所造成不同方向上的制造费用和时间不同。本文根据对增材的制造约束条件，从理论上修改设计零件模型，减少支撑材料用量。通过评估分析所新设计模型的相关的制造时间、零件质量和制造费用。2.2零件设计2.2.1建模工具本课题设计零件模型的三维图的建立使用CATIA进行绘制。CATIA(ComputerAidedThree-dimensionalInteractiveApplication)是法国达索公司出品的一种广泛应用于航空航天、汽车、船舶和其他工业设计、制造和工程分析的一体化软件，是研发新产品的CAD/CAE/CAM的系统软件。由于CATIA拥有众多模块和功能，本次建模过程采用的模块主要零件设计模块及工程制图，使用软件的版本号为CATIAV5R20。本课题设计零件模型进行切片支撑的添加，利用一款可以自动或者手动添加支撑，支持多模型打印，预览打印过程，设置各种打印参数的3D打印软件是Simplify3D。选择不同打印材料、支撑大小及最大悬空角度，预览模型的支撑结构，本次添加支撑结构，预览打印模型，分析本设计模型的制造参数。切片外部填充模式选择网格模式。如下图2-1建模过程。图2-SEQ图\*ARABIC\s11（1）建模 （2）切片（3）成型2.2.2零件建模本课题把重心放在熔融沉积建模（FDM）上，它可以制造规模大且复杂模型，虽然只介绍了单个零件模型，但是相关结果可以同其他零件模型类比推理。真实反映和描述现实生活中的物体是三维的，通过3D建模就是用三维软件来建立物体形状，采用点在三维空间的几何体集合，三角形、平面、曲面等多种几何特征元素。在数学上理想化几何模型和在计算机三维系统内数据结构正确表达两个问题需要解决。开始三维模型的建模几何形体含有几何和拓扑信息，然后随着科学技术发展过程中，三维模型可以反映出更多模型的特征参数及性能信息。模型的几何信息描述点、线、面几何要素的数目、大小、位置和方向特征，比如曲线位置坐标值、线框数量值等，连接拼凑几何要素之间的关系，如曲线由点连接而成、曲线之间线与线连接关系、点邻接与线邻接的关系。物体形状要素要求的物理、化学性能要求。不同应用场合，采用不同的建模技术，如图2-2所示曲面、网格模型。图2-SEQ图\*ARABIC\s22翼肋曲面模型和叶片网格模型本文研究零件模型根据模型的基本信息设计几何造型，建模过程实际上就是对飞机零件产品的抽象化过程。因为倾斜角度问题，如果压板和零件平面之间角度过大，则制造有问题。根据这些问题及模型基本信息，建立合适的几何模型进行研究，并根据需要修改不可行的几何形状，来改变支撑结构用量，以下步骤为零件设计模型过程：设计零件模型，根据飞机零件物理性能要求，基于飞机零件的多元素特征，理想化零件模型缺口、挖空等问题要素实现简单零件模型，使设计零件模型更具有代表性。平滑化模型，零件模型制造的曲面化，设置模型的曲率半径。定义模型边界减小应力集中问题，更符合理想化模型特点。优化模型，通过切片软件预览零件模型制造参数，随着方向角度不断变化，该模型获得最优的切片方向。然后对该模型进行相关制造元素进行修改模拟预览加工结果，来确定最佳零件模型。如图2-3所示零件设计整体过程图。图2-SEQ图\*ARABIC\s23零件设计整体过程图2.3模型的切片通过设计理想化三维飞机零件模型，将三维零件模型文件转化成STL格式文件是一种近似化处理零件模型，这样可以方便快捷让3D切片软件应用操作，将三维零件模型转变成一层层二维零件模型轮廓截面，分成切片完成3D模型打印，因此3D打印自由成型工艺流程如下图2-4所示。图2-SEQ图\*ARABIC\s213D打印自由成形工艺流程因为零件的CAD模型上常常有一系列的不规则的自由曲面，所以在使用前需要针对零件模型进行近似处理，可以把建立好的模型CAD转换成STL格式可使用3D切片软件打开。其中3D打印机常用一组集合的小三角形来无限逼近自由曲面的近似方法来处理3D零件模型，但是从本质上来看，由于多个小三角形拼凑连接逼近原零件模型，并没有完整表示出真实的零件模型表面，这样使零件模型表面边界上有凹凸不平现象，导致零件模型与原设计模型存在一定误差。根据理论上分析，当小三角形数量的增加，应用STL格式近似逼近法来提升同样的零件模型的准确度。特别是，在同条件下，含有不同外形的轮廓特征元素的三维零件模型，最后得到小三角形数量差异很大，例如球体STL的三角形网格分割，如图2-5所示，三维零件模型近似逼近的误差比较和分析如表2-1所示。图2-SEQ图\*ARABIC\s15STL球体表2-SEQ表\*ARABIC\s11三角形数目与误差关系三角形数目弦差%表面积误差%体积误差%2083.4929.8088.413058.8920.5367.334045.4215.6653.9710019.106.4524.325003.921.315.1810001.970.662.6150000.390.130.53通过上述的方式三维零件模型的近似处理获得STL格式零件模型，3D打印流程对STL零件模型要求很高的准确度和真实性，尤其要确保STL模型没有裂缝、没有重叠面和交叉面，这样避免切片分层所得薄片轮廓线没有封闭，导致无法正常加工得到零件模型。虽然从三维软件中三维模型转换成STL文件出错概率基本很低，但是根据实际应用情况，归纳得出以下几点基本差错：平面内法向量出现差错，模型表面建立法向量产生错误；模型表面没有连接，出现断裂、悬空的薄片面；模型出现相交或者自交的特征元素；STL格式模型不完整或破损等。这些问题大部分是三维零件模型建立出现一些错误，如果转化所得模型有较大问题时，那么最好的方法就返回CAD软件进行修改；然而一些小问题就可以用切片软件自动修改，这样方便模型处理。基于这些问题，3D打印软件建立了三维显示栏，来修改三维软件模型的不足。解决这些不足之处，较为准确的STL格式模型进行分层准备打印模型。切片分层分为原模型轮廓、内部填充及支撑结构，多次扫描获得零件模型外部轮廓线，单次扫描可以取得模型内部填充的非轮廓边界。依据相隔填充线分成有间隙填充和无间隙填充模式，有间隙填充应用在零件模型的内部孔隙的地方减少支撑材料的费用，无间隙填充则是模型的整体结构。3D打印机提供多种填充图案选择填充，选择不同的填充模式则影响打印模型的加工时间、材料用量和模型物理性能等，如下图2-6所示直线、网格、三角形、折线、快速蜂窝及全蜂窝内部填充图案。图2-SEQ图\*ARABIC\s16直线、网格、三角形、折线、快速蜂窝及全蜂窝根据分层参数由分层、路径和支撑三个部分构成，下面参数定义分别为：分层部分，分层的厚度是3D打印的单一薄片厚度，开始分层高度设置为零，结束的分层高度为该切片最高点。路径部分，依据3D打印机上使用的喷嘴直径来设置切片轮廓线，通常是喷嘴直径的1.3~1.6倍，由于是预览模型，所以大部分参数按照之前软件的数据无需重新设置。切片过程中扫描截面的轮廓，每一次扫描向零件模型内部移动一个线宽度。根据零件模型的制造要求进行调整，选择合适的填充线宽和填充角度，设置每一层填充线的方向，每次依照设定值进行循环填充，不可以过度堆叠，这样无法成功制造零件。还有一点确定有间隙填充的模型表面的最小角度值，当切片面与水平面形成的角度值大于该确定值时，应用有间隙填充模式；相反小于该值时，则改为无间隙填充模式。支撑部分，支撑角度是表面和水平面的夹角，扫描轮廓线需要支撑线宽度，为减少材料的用量，应用有间隙填充，还可以减少制造时间。上述这些参数影响切片质量，如下图2-7所示不同的参数切片的分割结构，不同的切片参数对制造零件模型的物理性能影响不同，无间隙填充的结构固定，使模型的稳定性和强度都很好。扫描一次，填充间距4和角度45°、135°扫描三次，填充间隔2和角度30°的无间隙和有间隙填充图2-SEQ图\*ARABIC\s17不同参数的层片分层切片含义是将零件模型的STL格式的三维零件模型转换成连续二维外轮廓截面图形，然后针对这些图形形成3D打印机的指控命令，如下图2-8所示。图2-SEQ图\*ARABIC\s25STL零件模型分层切片处理通常来说，3D打印机上安装分层切片软件，把几何零件模型用截面图形经过切片处理，通过连续Z轴的正方向作为法线方向的平面和STL零件模型相交，计算所相交的点连接形成零件模型的外轮廓线表示出切片截面的边界。通过上述零件模型的轮廓线形成3D打印机的程序命令和模型的形成途径。3D打印的切片厚度常常设定为不变量，相当于把零件模型分割成多个等厚度的薄片，分的层数越多，层厚越小，加工后零件模型的外表面质量平滑度越好，但是加工零件模型时间变得越长，切片分层的厚度范围大概是0.015~0.6mm之间，常选择0.1mm左右切片厚度进行加工。实际上3D打印机上还应用了CAD零件模型直接分层切片和适应性分层切片等进行切片处理，其中直接切片分层方式不用把三维零件模型转变成STL格式零件模型，只需在原零件模型上进行切片处理。然而适应性分层切片则比较繁琐，首先依据零件模型的基本特征要求自动调整切片厚度，在零件模型表面粗糙度和装配精度要求高的位置应用比较小的切片厚度，在无需装配或其他地方可以用大一点的切片厚度，零件模型的加工后的模型表面质量提高，不同分层厚度使零件模型存在不同程度上的表面粗糙度、裂纹等表面缺点，从而影响零件模型的装配精度、耐腐蚀性和抗疲劳强度等性能，最终导致零件的使用价值和使用期限。2.4支撑设计规则本文研究有支撑结构的模型设计，支撑材料用量与制造零件成本成正比。支撑结构自由或者手动添加，首先设置好所需要支撑的表面的最大角度(水平面和表面的夹角)，然而当零件表面和工作台水平面的角度小于设定值时，就一定要添加支撑结构。事实上当角度越来越大时，支撑面积也变大；同样的角度越小，支撑面积越变越小，但问题又有该角度过于小时，可能造成支撑不稳定或者强度不够，零件模型表面不平整或者下沉等问题。打印时支撑结构之间支撑扫描线的距离，间隔较大的支撑部分，可以采纳孔隙填充的模式，一般设置填充表面的最小面积，除了支撑面积大于需填充表面的最小面积可以免除支撑结构，这样减少支撑结构材料的用量，零件制造速度加快，为制造出较高零件模型的表面质量，尽量在零件模型近处使用自由标准化填充模式。添加支撑结构是增加材料过程，比传统加工使用模具或者大型装备制造要简单的多，当打印后的零件模型只要去除支撑部分就实现了零件模型，虽然支撑材料与零件模型的物理性能一样，但是支撑材料是有间隙堆叠密度小于模型的无间隙堆叠密度，因此很简便去除支撑结构。然而对于单一材料的那些制造技术，支撑结构对零件模型造成很多问题。首先和设计的模型比较，支撑结构的总体体积可能比较大，这样容易导致材料、时间和能量的浪费。根据研究表明，在增材制造过程中，高达63.6%的制造时间可以用于支撑的制造。虽然在3D打印技术中时间增加的没有那么明显，因为该过程是切片制造过程，应用自动生成的支撑结构。当支撑结构与设计零件模型相同材料时，打印许多薄列连接的模型，制造后，手动分离支撑件与模型，很容易把零件模型破损，使用支撑结构还有很多问题，所以针对这些问题，添加支撑结构时应分析零件模型的制造方向或者优化零件模型。本文所使用切片软件预览打印零件模型，自动识别零件模型的外形特征，自动添加支撑结构。打印后的零件模型的支撑材料用量和零件模型的质量对去除支撑材料的程度形成一种趋势，在打印过程需要考虑支撑材料的用量，还用考虑打印后如何简单去除多余的支撑。如图2-9所示支撑间隔，支撑间距对支撑材料用量及零件模型有一定的作用。根据实验结果显示，支撑间距选择根据零件要求，内部支撑比外部支撑难去除，开口向上的零件模型比开口向下减少支撑材料的用量。图2-SEQ图\*ARABIC\s19支撑间隔在3D打印技术中，切片模型需要插入支撑结构以支撑悬垂区域。如不添加支撑结构，制造出来的模型很容易变形或者无法加工。添加支撑结构减慢制造速度及增加加工成本，当具有较大的悬空面积的结构在重力作用下容易折叠或下沉，通过自动生成或者手动添加支撑结构，零件模型及支撑结构如下图2-9所示。三维打印技术有支撑结构添加、分层方向和打印轨迹优化。3D打印模型支撑满足条件：（1）满足设计支撑结构的作用下，结构简便，体积小，优化模型支撑结构减少打印时间，节约打印所需要的材料，节省成本。结构符合要求时支撑结构作用如下：（1）避免待加工零件需支撑区域处于悬空状态，（2）待加工零件固定在加工平面上，避免加工零件在打印过程中出现偏移等问题，保证加工零件结构性能：（3）保持零件重心位置，加工时维持零件的平衡能力，保证零件的结构强度。支撑结构加工零件模型支撑结构加工零件模型图2-SEQ图\*ARABIC\s110原模型支撑结构图2.5确定制造最优方向通过分析3D打印飞机零件制造参数和取向角度有关，采用控制变量法，取向角度的变化，导致支撑材料的用量不同，绘制表格及曲线图。由角度与制造材料质量曲线图变化的趋势，来评估在X-Y平面中，材料质量随角度变化量来描述支撑结构下零件模型的制造参数。本课题研究零件模型最优打印方向，不同打印方向所需要支撑材料不同，导致最后打印参数不同，一个模型在平面内放置方向不同，添加支撑面积及高度不同，控制自动添加支撑大小及最大悬空角度等打印参数，随模型放置角度的变化，预览零件模型的制造参数，分析比较变化规律，选择最优的打印方向。取向角度θ，切片软件制造取向角度不同，所需要支撑的材料用量不同，比较不同取向角度的制造零件模型制造参数，如下图2-11所示。图2-SEQ图\*ARABIC\s111角度变化图优化零件模型时，重点针对模型内部进行优化设计，并且在相对应的范围内，保持外表面及外形结构不变，优化设计目标达到制造零件模型的打印材料质量最小，按照实际情况分析，找到最小解有一定困难，但是给出一定的推理。在满足零件模型强度要求下，优化零件模型内部几何图形结构，变化内部图形减少实心部分体积，减少无间隙模式打印的材料用量，用体积变化量来描述模型变化量。体积增加（）,修改原模型的内部几何元素，来减少切片支撑结构的用料，来实现制造时间少、材料用量少和制造成本低。（1）设计好的零件模型在切片软件中进行自动添加合适的支撑结构，然后进行打印预览整理分析实验数据，从制造成本、加工时间及模型的加工质量多个角度分析哪个角度为最佳的制造方向。得出结果后，然后在零件模型外部结构不变情况下，对原模型进行内部结构优化，如图2-12所示原模型内部三角形角度的变化，改变模型内部结构，承受载荷分布不一样，需要添加支撑结构也随之变化。当然还可以在保持零件模型外部形状不变的情况下，改变内部的圆曲面几何造型变成平面特征元素，优化设计零件模型，建立三维模型转换成STL格式零件模型，近似逼近小三角形网格连接发生变化，添加支撑面积也发生改变。预览打印模型参数结果，所得数据绘制成表格及曲线图，比较分析反馈出模型在何种情况下，支撑结构减少，打印出模型品质好。图2-SEQ图\*ARABIC\s112原模型内部三角形角度变化案例分析与研究针对零件模型，实现打印方向的优化及模型内部几何形状优化，确定一系列增材制造的预览零件模型参数的方法和相关结果的步骤。针对模型不同方向放置在加工平台上，进行分析支撑用量及制造时间，绘制打印用材质量随平面与加工零件夹角变化曲线图。通过曲线图变化趋势，得出比较合理的打印方向，然后对原有模型进行零件模型优化有两个方案，其一是针对零件模型内部结构的三角形角度变化，并且控制模型外部结构不变，通过体积变化量来比较；其二对零件模型内部曲线元素特征改变成菱形，体积变化及打印支撑材料用量变化，通过对于获得最优零件模型。实际上大部分模型对可以按照其方式类比推理，减少支撑结构。飞机零件结构设计要满足轻质、使用寿命长、物理性能高及维修成本低等要求，结构尺寸主要进行应力分析求解，简化模型结构根据材料力学理论分析，来初步确定模型尺寸，为减轻飞机结构重量，重新设计结构或者应用新工艺、新材料，所以研究3D打印技术打印模型。设计理想化零件模型，三维零件模型尺寸大小长100宽50高20mm，三维模型转变成STL模型，因为三维打印机的加工的零件尺寸有限制，所以选择打印平台最小尺寸零件模型比例为9:10，缩小图形尺寸一体化加工。根据切片软件算法自动添加支撑结构，设置切片中各类参数，选择支撑大小2mm，最大悬空角度45°，内部填充应用网格模式等厚度切片，层厚为0.2000mm，模型材料应用PLA，预览模型加工参数。3.1最优打印方向理想化设计三维零件模型，含有三角形、曲面等元素特征。后将三维模型转换成STL格式输入到切片软件中，按照图形设置好打印参数，自动添加支撑结构，模型放置工作平面与模型的夹角变化情况分以下两种情况：方向一：Y90°，X方向角度变化方向1是模型在切片软件中处于最大高度，然后随X方向角度变化，如图3-1所示。自动添加支撑材料的增材制造，设置好打印参数，预览模型获得对应随角度变化结果如表3-1所示。模型体积为50.96cm3，基底面积初始值为8.10cm2。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s11方向一角度变化及模型预览图表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s11方向一打印参数随角度变化负角度时间min质量g材料费用0°27075.023.4510°26976.053.5020°27176.723.3530°27075.373.4740°27476.763.5350°350100.714.6360°33997.904.5070°31189.984.1480°27179.473.6690°23569.723.21对于方向一，打印原模型自动添加支撑结构的增材制造预览的结果。在Y方向不变X方向角度变化下，通过曲线图变化情况，得出在X为90°方向下打印时间最少，材料质量小及制造成本最小。因为随角度变化后，添加支撑结构数量不一样，导致所需要的支撑材料用量不一样，支撑用量减少打印后处理也比较方便。并且随角度变化后零件模型重心在下降，与工作平面的接触面积增加，模型在打印的时候稳定性也比较好。方向二：Y-90°，X方向角度变化方向2是模型在切片软件中以模型的长为最大高度立方，然后随X轴正角度变化，如图3-2所示。原模型自动添加支撑材料的增材制造，设置好打印的各种参数，预览原模型结果获得对应值随角度变化结果如表3-2所示。原模型体积为50.96cm3，基底面积初始值为2.00cm2。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s12方向二角度变化图表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s12方向二打印参数随角度变化角度时间min质量g材料费用0°25667.173.1810°25568.533.1520°26771.103.2730°27170.833.2640°27571.423.2950°32687.344.0260°31485.273.9270°28980.333.7080°26776.293.5190°24873.743.39对于方向二情况，打印原模型自动添加支撑结构的增材制造预览的结果。在Y轴-90°不变X方向正角度变化下，材料费用随之变化。通过角度与材料费用曲线图变化情况，如图3-3所示。从上表结果中得出在X为90°方向下打印时间所花最少，在X方向为0°方向下材料所耗质量最小，在X为10°方向下材料费用所花最小。因为原模型在工作平面中随角度变化之后，添加支撑结构数量不一样，导致所需要的支撑材料用量不一样，支撑用量减少打印后处理也比较方便。并且随角度变化后零件模型重心高度在下降，与工作平面的接触面积增加，模型在打印的时候稳定性也相对来讲比较好。根据上面多方面描述情况来看在方向二情况下，原模型打印方向在X为0°相对比较合适加工。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s13角度与材料费用关系图综合分析上面两个方向，可以看出原模型开口方向向上的加工所耗材料质量及材料费用相对来讲小，但是在与工作平面接触面积小的情况下，必须提供足够的基底宽度以确保基底和模型之间的牢固的连接。模型的固定不够导致模型的稳定性在降低，因此得出方向二模型开口向上的打印方向比较节约材料用量。3.2最优模型在上面的两个方向中，结果得出比较合理的打印方向规律，但由于设计模型往往需要轻质量、添加支撑少等要求。因此需要对零件三维模型优化，在控制模型的几何外形特征不变的情况下，对模型内部的结合外形进行改进，然后满足零件模型的使用要求。通过多个图形比较分析，用体积变化量来描述模型内部结构的变化，然后在合理的打印方向下，预览打印模型的结果。经过分析比较得出最优零件模型。对此提出以下两个方案：方案一：零件模型内部结构的三角形角度变化方案1是对零件模型内部几何图形的三角形角度值在一定规律下进行改进，但是没有改变原模型的外部几何结构，重新设计模型的结构强度稳定性等满足使用要求。由于设置的参数自动添加支撑角度为45°，假如按照上述的方向二中放置模型，导致重新设计的模型内部几何图形角度变化量大于等于45°，在该方向上需要多添加支撑结构会导致材料用量增加，打印模型制造成本增加。模型内部几何结构三角形角度变化图如图3-4所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s14模型内部三角形角度变化图对于原三维模型内部几何形状的改进，然后转化成STL格式。由于内部几何特征的改变，会使模型三角形网格结构发生细微的变化。将模型导入切片软件中，设置切片中各类参数，选择支撑大小2mm，最大悬空角度为45°，根据切片软件算法自动添加支撑结构，内部填充应用网格模式等厚度切片，层厚为0.2000mm，模型材料应用PLA，预览模型加工参数。在方向一Y90°，X-90°打印零件模型，预览模型内部三角形结果获得对应值随角度变化结果如表3-3所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s13预览模型内部三角形角度结果表角度体积cm3时间min质量g材料费用30°50.9623569.813.2145°50.2122867.673.1160°46.0622063.982.94对于改变模型的内部几何形状的三角形的角度变化，模拟打印过程得到对应角度的模型体积、制造时间、打印模型后材料质量及制造成本等相关参数。在三角形为45°时，模型体积相对30°原模型体积变化量为1.47%，制造时间比之前模型加快，制造材料用量减少3.06%，进而材料费用减少。在三角形为60°时，模型体积相对45°模型体积变化量为8.27%，制造时间减少，制造材料用量减少5.45%，从而模型的制造成减少。模型在方向二的Y-90°，X90°时，模型外部几何形状的曲面方向与工作平面形成向上的形式，并且自动添加的支撑角度为45°，然而改变后的模型形状角度大于等于45°，在最大高度方向下时，模型内部表面与加工平面角度变大，自动添加支撑结构数量增加，所以没有在方向二上进行打印预览改进的模型研究。通过上面改变模型的内部几何形状的三角形的角度变化，模拟打印过程得到对应角度的模型体积、制造时间、打印模型后材料质量及制造成本等相关参数，打印材料与费用成正比。在方向一的Y90°，X-90°方向打印模型，三个模型内部三角形角度的变大，在一定范围内，模型的体积减小，自动添加支撑数量减少，制造时间变短，模型所消耗的材料变少，最终降低制造成本。方案二：零件模型内部曲线几何元素改变成菱形方案2是对零件模型内部曲线元素特征进行修改，把内部曲线改变成菱形几何特征，但是没有改变原模型的外部几何结构，重新设计模型的结构强度稳定性等满足使用要求。由于设置的参数自动添加支撑角度为45°，在上面两个打印方向中，选取合理的打印方向，预览零件模型。分析两个模型预览结果，得出最优模型。零件模型内部曲线元素特征修改成菱形图如图3-5所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s15模型内部圆形变成菱形图对于原三维模型内部曲线几何特征改为菱形，然后转化成STL格式。由于内部几何特征的改变，会使模型三角形网格结构发生细微的变化。将模型导入切片软件中，设置切片中各类参数，选择支撑大小2mm，最大悬空角度为45°，根据切片软件算法自动添加支撑结构，内部填充应用网格模式等厚度切片，层厚为0.2000mm，模型材料应用PLA，预览模型加工参数。在方向一Y90°，X-90°打印零件模型，预览模型内部圆形改变成菱形变化结果如表3-4所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s14方向1预览模型内部圆形变菱形变化表几何元素体积cm3时间min质量g材料费用圆形50.9623569.813.21菱形47.2323168.133.13在方向二Y-90°，X30°打印零件模型，预览模型内部圆形改变成菱形变化结果如表3-5所示。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s15方向二预览模型内部圆形变菱形变化表几何元素体积cm3时间min质量g材料费用圆形50.9627170.833.26菱形47.2326267.083.09原三维模型内部曲线几何特征改为菱形，模拟打印过程得到对应几何元素的模型体积、制造时间、打印模型后材料质量及制造成本等相关参数。在方向一Y90°，X-90°打印零件模型，含菱形几何元素的模型体积相对原模型体积变化量为7.32%，制造时间比之前模型加快，制造材料用量减少2.40%，进而材料费用减少。在方向二Y-90°，X30°打印零件模型，含菱形几何元素的模型体积相对原模型体积变化量为7.32%，制造时间比之前模型减少，制造材料用量减少5.29%，进而材料费用降低。从上两个表格数据，含有菱形几何元素的模型在方向一Y90°，X-90°下制造时间短。在方向二Y-90°，X30°打印零件模型，模型体积减小和自动添加支撑数量减少，模型制造材料与材料费用减小。通过两个方案对比，还是改变原模型内部的几何形状角度变化。因为打印相关数据和自动添加的支撑结构数量联系密切，模型内部几何形状角度大于支撑结构最大悬空角度或者支撑面积都需要添加支撑。因此改变模型内部几何形状角度对制造模型影响大，变化内部几何模型角度获得最优模型。3.3三维打印优化结构优化研究增材制造是3D零件模型数据中层层叠加形成物体的过程，可以使用许多液体、电线和粉末等来源材料。除了增材制造材料，3D打印技术开始预期制造零件模型几何特点，根据零件模型处理以产生增材制造的打印路径，通过3D打印技术，添加支撑结构，但是不需要传统制造的模具、大型加工装置。从设计三维建模开始，转化零件模型格式，到3D切片软件中，应用网格形式的STL格式模型，添加支撑结构，然后将模型进行等厚度切片处理，平行模型边界沿着Z轴正方向循环扫描，获得预览零件模型。针对整个打印过程，了解分析过程中可能出现的问题并进行总结分析。通过对3D打印的结构优化整体进行研究分析，根据实际打印模型结果得出打印模型的支撑结构、模型在加工面的稳定性、模型结构强度及减少打印成本以下四点展开论述：打印模型支撑结构在增材制造过程，STL零件模型通过层层切成薄片，所以在零件模型的挖空位置需要通过软件算法自动形成支撑结构，来完成3D打印模型。本文上述表格中有几类3D打印机需要支撑结构材可以准确加工零件模型，否则模型轮廓线发生变化，完成打印模型后还需要移除支撑件。对于模型移去支撑件部位很容易被损坏或者模型表面粗糙度高，并且还要看支撑件的多少，为了满足零件模型转配精度及加工精度要求，通过对模型重新修改优化、打印角度优化等来减少支撑结构的数量，以达到优化支撑结构的目的。根据上述支撑结构优化问题，增材制造技术实验数据分析总结得出以下两种方法来优化自动添加的支撑，其一在切片软件中导入STL格式模型，把适合加工尺寸大小的模型放置在工作平面，然后根据模型的几何外形特征来放置模型的位置，考虑模型的开口方向、悬空位置和工作水平面的夹角及模型在工作面的稳定性等问题，后自动形成支撑件。如图3-6设计实体模型，然后不改变模型外部几何特征，挖空实体内部，根据体积变化量，形成有间隙支撑，预览3D打印实体与空心模型加工参数，如表3-6所示比较分析两个模型支撑量的变化量对加工成本的影响情况。实体模型大小为，体积为；空心模型体积为。表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s16实体与空心模型加工参数参数体积cm3时间min质量g材料费用实体模型27.75141391.79空心模型11.3012729.081.34图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s16实体与空心模型支撑根据表格分析，空心模型支撑结构满足模型制造要求并且制造用材变少。在满足使用零件模型条件下，优化模型内部结构，修改STL模型来改变形成的支撑结构，这种方法适用很大一部分零件，主要针对的模型优化设计，无论在各种切片软件中或者使用不同性能的材料，自动生成的支撑结构都会得到一定的优化。另一种支撑结构优化方式是将三维模型切片参数直接导入，首先用布尔差分运算法计算切片间距，合理设计模型的切片参数，然后根据计算结果来确定支撑结构位置，手动添加支撑结构，如图3-7所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s17切片数据的支撑结构[31]上述两种方法从模型和切片数据两个角度优化设计支撑结构，对建立模型的支撑结构来说，第一对建立的模型支撑结构的强度满足可以很好的支撑模型，保证了模型在加工平面的稳定及模型轮廓外形；第二切片软件中添加的支撑件数量要少，一些与模型外形无关的支撑结构不但增加材料用量，而且加工时间长，数量多，与模型接触面积大对模型表面外形结构及加工精度有很大的影响。所以切片软件自动生成的结构并不是最好的结构，应用其他方法来重新优化支撑结构。Strano等[32]提出胞格结构形式来优化支撑件，主要针对打印模型方向提出一套设计理念，设计方案为先建立3D隐式函数来计算分析，结果形成一定的有规律的间距变化的胞格形式的支撑结构。因为应用隐含函数来计算是一种纯粹的数学方程来计算模型的支撑几何外形，所以可以用隐函数表达式可以建立各种各样类型的胞格结构，如图3-8所示，通过实验结果分析不同模型的支撑规格代入函数可以计算出不同间隔参数的胞格。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s18胞格形式的支撑结构[32]结构的强度对于3D打印中设计的三维模型，如果只是单纯的考虑设计的几何外形，对模型结构没有一定的材料力学分析，那么所设计好的模型结构强度可能无法满足使用的要求，为实现3D打印模型强度满足使用的应力状态，针对该问题进行结构强度分析，主要做法是提出合适办法解决三维模型的强度或者变形等问题。对于模型结构的强度问题，为重新建立新的三维模型，并且要求集合外形基本上和原模型相同及增加模型结构强度和一体性，Stava等人[36]提出一种可以自动检测和修复模型结构强度问题的系统方案，其中应用一种轻量级的结构分析解算器来演模型结构的强度，然后，依据所推演出来的模型强度问题，文章中提出内部挖洞、局部加厚及加支撑来对原来的模型进行修复，如下图3-9所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s19结构的强度问题与修复方法[36]上述方法虽然很好的解决了模型的结构应力状态问题，使模型的应力分布较为平均，但是该方法还是有一定的缺陷在检查模型结构强度，首先自动检测系统要预览模型承受可能出现的外部载荷，然后根据模型外部受载情况，选取各个危险点分析受力情况，按照公式计算模型结构强度。显而易见，这种预加载荷对于大部分模型来看，不是真实反馈模型载荷的分布，所得结构强度的结果不能保证模型的应力状态分析的正确性，可能导致模型的强度无法满足模型使用要求。Zhou等人[37]提出另一个方法解决上述不准确性问题，和上面提出的设置预定载荷，来推理模型结构强度不同，相比较指出找到模型最危险的承载情况，受力分析模型最容易破环或者最大变形区，最不利载荷情况模型图，如下图3-10所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s110最不利载荷情况模型[37]本方案的关键技术是模态分析。对模型结构实验研究分析，通过实验分析某模型按照不同频率振动，模型内部结构因为共振现象，模型内部受到不同应力，这样结果会使模型比较危险部分很容易产生裂纹或者大变形。在振动情况下，模态分析模型结构可能发生的损坏或者变形情况。该方案大致四个方面是：计算出输入模型在不同频率的各阶段的模型状态；在实验的每个阶段模型的状态，计算分析出对应频率下的危险区域；采用求解连续的优化问题方法，在每个危险区域，计算分析出相对应的最不利载荷分布情况；在上面载荷分布情况下，应用有限元方法计算模型的应力，通过计算结果得出该危险区域的最大应力状态分布情况，比较最后得到每个阶段模态下的最大应力分布状态和最不利载荷分布的数据，最后实验模型应力数据可以得到较为准确的模型结构的强度。在模型强度问题中，根据欧拉-伯努利假设，Umetani等人[23]利用力学上弯矩平衡方程，受力分析模型的危险横截面的应力状态，该方案一般对象是细长部位的三维模型的强度分析，可以把该部位理想化看作欧拉-伯努利梁模型。先把模型细长部位尺寸大小提出，然后按照相应的梁结构理论进行模型受力分析，画内力图，计算该细长部位的应力。确保对应的结构精度，增加加工模型的结构强度，利用该方案来优化模型打印的方向，减少支撑用量，如图3-11所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s111截面结构分析优化打印方向[23]还有模型的变形经常使增材制造无法很好的工作，特别是弹性变形量大的材料。在外力的作用下，模型产生弹性变形，在很大程度上，最后打印出来的模型和之前设计的形状有一定的区别，为减少模型外形结构的改变，之前是通过不断设计，然后分析实际打印模型和设计模型的差别，再依据得出的差距进行修改慢慢符合设计的模型，多次重复该过程，最终得到所需模型。过程太过复杂，设计模型效果差。Chen等人[25]对此问题想出了逆向弹性形状设计的渐近数值法，本方案从开始设计时想利用模型受作用力后发生弹性形变，然后把变形量加载到模型的最初形状，这样就可以得到原设计的模型。考虑模型材料的力学性能，材料的变形量可以作为模型的变形量参考，然后对模型进行弹性分析计算，如下图3-12所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s112逆向分析弹性形状设计[25]结构的稳定性在切片软件工作平面下，三维模型可以任意角度放置，甚至可以悬空放置，然而将三维模型打印成实际造型时，则需要考虑在哪种情况下，零件模型放置稳定性最好。物体平衡是当一个物体受两个或者两个以上的力作用时，各个合力为零，则物体会相对静止。在外界考虑重力的情况下，模型放置在工作平面要考虑到是否处于平衡状态。打印模型放在基底上，但要考虑模型的几何特征不一，考虑模型的重心位置，然后放置合适的角度，以便达到平衡状态。针对平衡放置模型，可以应用重心优化。首先应用几何方法来分析模型重心位置，按照重心的位置来放零件模型。通过实验结果给出稳定站立在平面上和悬挂在一根线上两种平衡方式。对于站立方式，几何模型和平面接触的全部点可以形成一个可支撑多边形，模型的重心投影在多边形内就可以使模型处于平衡状态；其次悬挂方式，保证模型重心通过线与悬挂点就可以使模型平衡，如图3-13所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s113站立与悬挂平衡方式[9]在3D切片软件中，把STL模型看作打印后的成品，通过一定方式找到三维模型的重心位置，然后将模型放置平衡。模型调整平衡方式有如下两点：（a）挖空模型内部，让模型内部为空心；（b）在控制模型外部几何特征不变情况下，让模型外表面发生变形。经过上述模型重心优化处理，打印模型不需要添加其他辅助工具，模型就可以保持平衡状态，如图3-14所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s114原模型与处理后模型通过打印模型，为保证模型结构的稳定性选择合理的截面形状，可以适当优化支撑面积大小，目标增大与工作平面接触面积，零件不宜过高，改变模型的约束条件，合理选择打印材料，因为材料物理性能差别很大，材料的许用应力不同。打印成本优化增材制造成本指的是耗费的打印的材料的重量或者体积、支撑材料的总量及打印所花时间，一般用成形单位重量或者体积所花费的费用来表示，打印材料的用量越多，费用越多，可以理解成打印材料用量与费用成正比的形式，通过优化模型降低材料用量来优化成本。在机械行业里，机械加工的很大一部分零件模型是多孔几何结构比较复杂的，对于这类模型机加过程还是比较难实现的，通过优化零件模型，采用增材制造技术加工模型，利用随机函数表示多孔类零件模型，这样便于设计新模型。为减少打印材料，通过建筑方面中的桁架结构发现，Wang等[15]给出一种蒙皮-刚架的强度、稳定性好的结构来处理材料成本优化难题。多个杆件采用节点相接，构造成一个空间结构模型，这便是刚架结构，如图3-15所示。刚架的杆件是固定连接在一起的，而建筑的桁架通过铰接形式连接。固定连接与铰接连接所受力的形式不一样，固定连接结构稳定性好，其优势有：受力形式，假设刚架结构的其中一个节点受到外力作用，该节点在刚架连接的地方按比例分配到连接杆件上；减少材料用量，刚架结构是承载应力高，杆件连接，形成空间结构，只需要杆件材料，减少材料用量。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s115刚架结构[15]对于刚架结构，把设计好的三维模型规划成模型外表面形成的蒙皮及模型内部结构为刚架，使蒙皮刚架模型体积最小化，并且保证模型的物理性能等。采用迭代优化算法来优化模型结构，目标函数要求是整个模型的打印实体体积最小化和打印精度最小化。为完成目标函数，首先随机形成一个刚架结构，然后经过拓扑优化方法移除不受力作用多余的杆件和节点，几何优化模型杆件半径、节点的位置与数目，最后获得优化的刚架结构。综上四点所述，3D打印中结构优化研究中可以看出3D打印在各方面都有一些不足，需要深入研究优化，上述打印的模型结构优化方法在一定程度上有很大效果，打印模型的支撑结构变化，支撑面积影响模型表面粗糙度，模型在加工面的接触面积及模型重心影响模型的稳定性，模型强度可以应用有限元分析，优化这些问题，减少打印成本。总结与展望本文通过三维建模设计和切片制造，来完成模型的优化设计。借用理想化模型，在切片软件中，设置合理切片参数，自动添加支撑结构预览模型参数。在打印方向中采用图解法进行分析实验数据，在优化模型中通过控制变量法来分析模型。论文针对模型优化主要完成以下几个内容。模型设计根据设计中飞机零件的结构性能，飞机零件结构设计要满足轻质、使用寿命长、物理性能高及维修成本低等要求，结构尺寸主要进行应力分析求解，简化模型结构根据材料力学理论分析，来初步确定模型尺寸，为减轻飞机结构重量，重新设计结构或者应用新工艺、新材料，所以理想化三维模型结构。打印方向设计三维零件模型转化成STL格式，通过模型表面三角形网格化得到。模型导入切片软件中，模型打印方向决定模型打印模型的质量、打印时间及制造的成本。因此提出两个打印方方向，预览各状态下对应模型参数，绘制曲线图分析变化趋势，来实现打印方向的最优化。模型结构优化根据设计的原三维模型，设计两个方案对模型优化，改变模型内部几何形状的角度与改变模型内部几何元素，体积变化量描述模型的改变。通过对比分析模型得出最优模型，然后对模型结构的支撑结构、结构强