增材制造与装配设计：新范式下的机械装配方法

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）3面向增材制造的机械装配Germain Sossou，Frédéric DemolyEugene，Ghislain Montavon，Samuel GomesICB UMR 6303，CNRS，Univ.Bourgogne Franche-Comté，UTBM，法国阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年4月27日收到2017年9月21日收到修订版2017年11月6日接受2017年11月15日在线发布保留字：设计方法增材制造CAD设计装配设计A B S T R A C T增材制造（AM）最初是作为一种原型制造工艺引入的，现在越来越多地被认为是一种全边缘制造工艺。AM工艺的数量以及加工材料的范围正在扩大。AM已经制造出了用传统技术难以（甚至不可能）制造的可制造形状。这促进了工程设计的转变，从传统的制造和装配设计到增材制造设计（DFAM）。DFAM领域的研究工作主要致力于零件的设计，这实际上这引起了拓扑优化和/或网格化设计。然而，由于AM也能够制造需要很少或不需要装配操作的全功能装配，因此需要DFAM方法更全面地处理产品的开发，因此，专用于装配设计。考虑到无装配机构敏捷制造的所有相关问题和现有的后处理能力，本文提出了一种自顶向下的装配设计方法，在主动的方式。这种方法可以被看作是从传统的装配设计（DFA）转向新范式的开始从一个产品特别是，在设计过程的早期就考虑到了建筑导向和下游工艺的特点。其次，对于要由适量物质适当传达的功能流（能量、材料、信号），该方法提供了如何利用AM提供的形状复杂性以极简主义方式设计组件的最后以机械装配为例说明了DFAM方法的应用.人们发现，间隙和材料（无论是未加工的原材料或支撑结构）在成功的组件设计中起着关键作用此外，该方法的组件的设计然而，该方法可以通过考虑零件合并的策略和使用多个AM工艺制造装配体的可能性来扩展。在器件©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍在过去的三十年里，制造领域的重大突破之一是增材制造（AM）。AM技术最初作为快速成型工艺引入，现在用于最终产品。共同核心原则这种有前途的技术的特点在于以逐层的方式制造部件，以及其多样性（迄今为止有超过20种AM工艺可用（Bikas，Stavropoulos，Messolouris，2015;由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者：ICB UMR 6303，CNRS，University. Bourgogne Franche-Comté，UTBM，90010 Belfort Cedex，France电子邮件地址：frederic. utbm.fr（F。Demoly）。Gao等人，2015; Gibson，Rosen，&Stucker，2009））允许构建几乎任何形状。此外，这些技术正变得越来越民主化，现在有机器嵌入这些技术用于大范围的应用（例如，从业余爱好者到航空航天工业中的大公司）。这场制造业革命带来了更多的设计自由和选择，然后需要适应当前的设计实践或新的设计范式。这引起了学术界和工业界对所谓的新设计理论和方法领域的兴趣：增材制造设计（DFAM）。实际上，由于X设计（DFX）领域中的传统设计方法已经限制了设计解决方案空间，因此仍然需要做出努力以包含AM提供的独特能力。此外，即使AMhttps://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.11.0052288-4300/©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。4G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）3技术允许更多的自由度，但它们确实有其特定的限制（例如精度、表面几何形状、特征尺寸、构建速度等）。这必须从较早的设计阶段考虑，以便具有增材制造友好的产品定义。增材制造过程由四种能力独特地表征（并且在不同程度上）（Gibson等人， 2009年）：1. 形状复杂性：AM的逐层制造使得几乎可以构建任何形状。2. 层次复杂性：任何长度尺度（微观，中观和宏观尺度）的特征都可以集成到零件的几何形状中&3. 材料的复杂性：根据工艺的不同，材料和材料的特性在整个零件的体积中可能会有所不同。这种能力正在促进对功能梯度材料的研究（Garland Fadel，2015; Wilson Shin，2012）或更广泛地对多材料部件的研究（Vaezi，Chianrabutra，Mellor，Yang，2013）。4. 功能复杂性：可以制造完全（或部分）功能机械。诸如直写（DW）甚至熔融沉积成型（FDM）等工艺可以使导电油墨图案化，从而使印刷电子产品成为可能虽然存在AM工艺打印机械组件的能力的多个示范（Caldarin等人，2012年; Lipson，Moon，Hai，&Paventi，2004年）（即使没有任何后续的组装操作），设计方法学的研究工作主要针对零件设计。然而，这可以通过以下事实来解释，即前面提到的前三种能力主要与部件 当通过DFAM镜头查看组件时，它主要用于重新设计案例（Yang，Tang，&Zhao，2015），其中主要目的是以相当特殊的方式减少部件数量（Schmelzle等人， 2015年）。由于零件本文的目的是提出一种面向装配的设计方法，旨在推动DFAM的边界超越零件这种方法可以被看作是从传统的装配设计（DFA）转向新范式的开始。一种设计活动的主要关注点不是确保机构的可装配性，而是确保装配后的机构通过考虑产品体系结构和AM过程的特点，该方法旨在帮助设计人员设置一个面向AM的环境，在其中可以执行详细设计此外，在AM环境下的零件的设计方法，提供了一个第2节将简要概述财行司领域迄今取得的成就。然后，将在第3节中描述所提出的方法。为了说明该方法，第4节介绍了一个机械案例研究。最后一节总结了本文的工作，并对今后的工作进行了2. 相关工作与研究人员致力于开发适用于传统装配工艺的设计方法（装配设计、制造设计，甚至两者兼而有之等）的方式相同越来越多的研究（Yang Zhao，2015）旨在开发方法以充分利用AM的独特功能这方面的研究工作可分为三大类：（i）设计建议，指导如何在设计时明智地使用AM，(ii)方法和工具，以利用形状复杂性能力的AM通过拓扑优化和晶格结构和（iii）设计程序，这需要更全面的设计问题。2.1. 设计中的AM建议为了帮助设计人员正确地设计AM部件，有一些简单的规则，主要是从实验中得出的。这些规则包括零件形状和尺寸、制造方向等。一个名为“直接制造设计规则”的德国项目&&这导致了设计规则库的发展。它陈述了三个几何标准元素的（及其几何属性），它们的组合可以导致几乎任何形状。使用三台AM机器（具有特定设置）进行的实验研究得出了适当的范围值和指导方针。在设计中考虑这些规则将确保实现最佳质量。Thomas（2009）以类似的方式为可持续土地管理制定了设计规则。Kranz、Herzog和Emmelmann（2015）利用轻量化结构中的基本几何实体和一组制造实验，建立了一个结构化数据库，其中包含针对TiAl 6V 4激光增材制造的基本设计指南;研究了零件位置和方向对尺寸精度和表面质量的影响。Becker，Grzesiak，andHenning（2005）也提出了一系列的原则或原则来解放设计师的思想，这样他们就可以充分利用AM技术带来的自由。主要的一点是尽可能多地节省材料（从而节省能源和时间），只把材料放在需要的地方，而不管工具。2.2. 基于拓扑优化和网格结构的方法由于与可实现的工具和与传统制造技术相关的约束被AM缓解，因此几乎任何形状（无论其复杂性如何）都可以通过AM变得逼真。此外，现在不仅复杂的形状值得考虑，而且层次（即通过尺度）复杂性也是可以实现的。这些能力在设计增材制造物品的方式上有利于两个主要趋势：拓 扑 优 化 （ TO ） （ Bendswee& Sigmund ， 2004; Rozvany ，2009）：一种数值方法，其包括在一组边界条件、一组载荷和约束下，在限定的设计空间内优化物质分布。使用它在概念设计阶段生成零件的概念，然后改变这些概念以改善美学、性能或可制造性。晶格结构（LS）（Gibson Ashby，1997）：这些是数值生成的桁架状结构。LS的主要优点包括高强度重量比、良好的能量吸收、良好的隔热和隔音特性。LS用于零件几何形状的详细设计阶段已经开发了一些使用TO的设计方法，以优化重量（Paz、Monzn、Gonzlez、Winter、Ortega，2015年）、刚度和强度（Lin、Wirtz、LaMarca 、 Hollister ， 2007 年 ; Rezaie 、 Badrossamay 、 Ghaie 、Moosavi，2013年）和顺应性（Joo、Reich、Westfall，2009年）。值得一提的是，Emmelmann、Sander、Kranz和Werner等人提出了一种集成TO、仿生学结构和与粉末床熔合工艺相关的指导方针的设计方法。●●G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）35Wycisk（2011）. 他们的方法旨在帮助设计师在飞机工业中开发轻型结构。虽然TO提供了理论上的最佳解决方案，但它们的制造可能仍然是一个问题。实际上，即使对于AM，TO设计通常也不这促进了一个新的研究趋势，其目标是将制造约束集成到TO求解器中。Zegard和Paulino（2015）提出了一种为AM做准备的方法，即由TO输出的所提出的工作流程和技术适用于大多数AM技术，并开发了一个支持其方法支持消除越来越多地被认为是TO算法的一个约束已针对FDM （Leary、Merli、Torti、Mazur、&Brandt，2014年）和SLM和电子束制造（EBM）（Langelaar，2016年）提出了此类主动方法。 为了说明支撑需求依赖于过程的事实，Gaynor和Guest（2016）提出了一种更通用的无支撑TO方法，其中自支撑角度被视为输入变量。目前，AM能够承受的形状复杂性是以精度和表面质量为代价的，这些特性使传统的减影工艺仍然具有竞争力。这使得混合制造（AM与减法工艺的结合）越来越多地被研究（Flynn，Shokrani，Newman，Dhokia，2016）。制造业的新趋势伴随着设计方面的差距。Liu和To（出版中）在这一研究领域以某种方式开创了先河，提出了一种基于TO的混合加减制造设计方法。利用形状 复杂性和层次复 杂性的另一种 方式是使用晶格 结构（LS）。这些是桁架的椭圆阵列，其组合产生独特的性质。它们的结构性 质 已 经 被 广 泛 研 究 （ Vesenjak ， Krstulovi-Opara ， Ren ，&Domazet，2010; Yan等人，2015年）。这些结构的复杂几何形状使得它们难以通过常规CAD系统进行设计。许多研究都集中在开发工具来生成LS。类型金属AM的晶格结构已经过审查，并在Hadi，Vignat和Villeneuve（2015）中用作生成这些结构的计算工具的基础。 综述了生成LS以达到指定刚度的设计综合方法inJane，Sarah，Gregory，and David（2010）. LS的自动生成主要是在基本的基本形状（长方体、圆柱体等）内完成的，这可能不是真实零件的几何形状。为了填补这一空白，Aremu等人（2017）提出了一种基于体素的方法来生成均匀和分级的晶格;生成的LS可以符合任何外部几何形状。为了扩大AM允许的设计自由度，Primo，Calabrese，Del Prete和Anglani（2017）基于案例研究提出了虽然他们的组合方法的结果没有产生全局最优解（考虑到诸如重量、应力、位移等标准至少它证明了混合TO和基于晶格的设计的可行性2.3. DFAM方法在前面的小节中回顾的两种类型的贡献是有用的，因为它们提供了知识，提高了设计师的意识，使他们知道他们的设计应如何受到AM的影响然而，以某种方式，合理化的方式AM知识是要考虑到，而设计，其他更多的程序性贡献DFAM已经提出。这些是设计程序，它们是基础-其特点是AM过程的特征和功能需求的集成Ponche、Kerbrat、Mognol和Hascoet（2014）开发了一种方法，用于设计采用增材激光抛光工艺的金属部件。通过考虑功能规格、工艺特性、约束和物理现象，该方法生成“逼真的CAD模型”和制造程序计划（即打印路径及其顺序）。零件的几何形状和制造路径都得到了优化，并且“设计”（CAD模型）和“制造”视图之间的偏差最小化。他们之前设计了一种与工艺无关的全局方法（Ponche，Hascoet，Kerbrat，&Magnol，2012），其中工艺特性（例如，可实现的尺寸、精度、运动学、物理现象等）与功能规格（例如几何形状、机械要求）和上下文（寻求优化的内容）相结合，以便生成适当的设计定义。此外，Vayre，Vignat和Villeneuve（2012）提出了一种面向金属零件的AM方法。他们的方法包括四个步骤，包括分析产品规格，粗略的形状建议，形状的参数优化（根据工艺Kumke，Watschke和Vietor（2016）注意到，对DFAM领域的现有贡献影响了产品设计的不同阶段，因此只能实现局部优化为了更好地整合，他们提出了一个方法论DFAM框架，将系统设计的一般程序（与指导方针E2221（工程师）相关）与所有现有类型的DFAM方法和工具相结合。开发的框架引导设计人员从设计问题到设计解决方案。在Rodrigue和Rivette（2010）中，提出了一种针对AM装配设计的设计方法我们的目标是帮助设计师在具体的设计阶段，使所有的优势，AM提供的考虑，这些主要包括部分合并和多材料 的 一 部 分 。 调 查 现 有 的 DFAM 贡 献 （ Rias ， Bouchard ，Segonds，Abed，2016）得出的结论是，为AM生成的概念只有部分原创，“最多75%是新的”。然后，他们提出了一个5阶段的“创造性DFAM”方法，利用AM的独特功能促进创造性概念的生成;所提出的方法在某种程度上该方法主要用于早期设计阶段。这5个阶段包括：特征发现、探索、概念演化、概念生成和概念评价.这一贡献主要与零件设计有关Yang和Zhao（2016）在装配设计方面做出了类似的贡献，其中确定AM对功能分析和所需行为的识别没有影响。研究表明，AM独特的能力，而在映射所需的产品的物理结构的行为的过程中发挥的作用在此基础上，提出了一种设计综合2.4. 动机目前，DFAM的主流似乎集中在利用AM功能来设计具有复杂形状或等效优化性能的组件。虽然上述贡献证明在设计（或重新设计）有效部件或整合组件方面是有效的，但它们似乎都没有考虑一些AM过程产生功能组件的能力。当在AM上下文中考虑全功能程序集时，它是以一种特别的方式进行原型设计的6G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）3（Lipson等人，2004）或基准目的（Mavrostan，DeLaurentis，Won，&Alam，2000），或联合分析（Chen&Zhezheng，2011;Rajagopalan& Cutkosky，2004）。另外，对增材制造过程和后处理约束的相关问题在这里，研究工作旨在通过提出DFAM方法来填补这些空白，以简化无装配机构的设计，即可以在单个打印中添加制造的移动部件组件，并且其移动部件完全组装。此类机构的示例包括由Maund（2013）制造的完全组装的3D打印28齿轮Cube（如图1所示），Lipson等人（2004）打印的历史机构，或由SLM在Changhui，Yongqiang，Dai和Di（2013）制造的轴承。3. 面向增材制造的设计方法因为可以用AM工艺制造全功能组件（Calignano等人，2014;Gibson等人，2009），面向AM的设计方法的目标是设计要部分或全部增材制造的组件。因此，它在以下方面提供援助：1. 构建产品架构（或布局），使其可增材制造。2. 为产品组件的设计方式提供指导，Ullman（2009）指出：这是因为组件中的大部分材料一旦确定了组件之间的功能接口，设计组件的主体通常是一个复杂的连接点问题。所提出的设计部件的方法背后的理念与该状态有着深刻的关系，因为AM允许的形状复杂性让位于设计尺寸接近（或低于）上述20%的部件此外，为了更好地适应我们的方法，该语句可以扩展为''。.一个复杂的连接点问题，以确保结构完整性和与产品功能Fig. 1. 免组装28齿轮立方体（Maund，2013）。对于具有最小功能尺寸的产品组件，我们认为首先要考虑三个特征。产品执行的功能主要发生在其功能接口上。这些还包括产品与外部元件（用户、原材料、流体流等）的接口。以及产品部件之间的接口（由于它们的运动学关系）。此外，这些功能通常与一个流程（Pahl，Beitz，Feldhusen，Grote，2007）（即能量，信号或材料）相关联，这些流程在整个产品（或更具体地说是其组件）中物理路由。组件的接口是这些流的“门”。最后，每个部件由设计体积限定，在该设计体积中可以分配形成部件的物质。因此，产品的任何组成部分的特征在于：（i）其功能接口，（ii）通过它的可能流程，以及（iii）设计空间。然后通过连接FI来设计组件-从而设计整个产品，允许在保持其指定的设计空间的同时适当地输送流，并且在AM上下文中遵守选定的AM过程的约束。这些元素（FI、流和设计空间）随后将被称为组件由于所提出的方法旨在设计其组件处于最小尺寸的产品，因此它分为三个主要阶段（见图1）。 2）由以下各项组成：一种功能分析，旨在描述产品的功能性，并了解产品与其环境之间的关系以及组件之间的关系。由于功能结构是识别产品“处理”的流程的系统方法● 组件控制结构的推导● 部件几何形状的设计为了清楚起见，第一小节致力于澄清与所提出的面向AM的设计方法相关的一些工件。3.1. 方法所依据的概念3.1.1. 功能接口功能界面（FI）（产品或组件的）是一种界面，它表征了两个空间区域必须具有的关系，以实现功能。该关系可能需要两个部件（例如滑动部件）之间的实际物理接触（FI可以是表面（平面或三维）、点或线。组件的FI基本上是其几何形状“生长”的基础，有三种类型的金融机构可以区分：无接触FI：它可以实现与美学、气密性或水密性、散热（如冷却翅片）、流体偏差（如飞机机翼表面）等相关的功能处理FI：可用于产品用途（杠杆、按钮等）或用于待组装、可运输或维护的产品，因此物理接触不是永久性的。零件与零件接触关系FI：这种FI可能需要在组件中执行定位，以提供引导或用于零件之间的载荷传递。它们可以使用基于骨架几何 的 装 配 上 下 文 定 义 （ SKL-ACD ） 方 法 （ Demoly 、Toussaint、Eynard、Kiritsis、Gomes，2011年）生成。基于运动副●●●●G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）37图二. 面向AM的设计方法。在零件之间，这种方法可以计算通用表面，所需的FI可以放置在其上，或者所需的FI本身以及控制其方向和位置的几何实体。一旦确定金融机构，就必须对其进行定位。如图3所示，给定设计空间，FI的定位-除非它是平面的-可以有两种效果：它可以塑造它（也就是说，它将设计空间的一部分限制为特定形状）或中空它（也就是说，它定义了一个空洞的形状）（见图）。 4）.3.1.2. 功能流程产品执行的总体功能与流程相关。在其最低水平的特异性中，这些是能量、材料或信号（Pahl等人，2007年）。从概念上讲，这些流与基本功能（例如传输、通道、分离等）密切相关。Hirtz、Stone、McAdams、Szykman和Wood（2002）将基本功能分为八组，包括分支、通道、连接、控制量、转换、提供、信号和支持。建议读者参考Hirtz et al.（2002），以获得基本函数及其定义的完整列表。图三. 功能界面对设计空间的影响。8G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）3见图4。 一对组件的优先打印配置。组件作为功能的物理体现，最终是例如，在信号功能组实现这种功能的部件不一定被流穿过，因此形成它的物质对其性能不是另一方面，实现传输功能尽管如此，值得一提的是，为实现功能而选择的工作机制仍然可以决定流是绕过还是通过组件。给定一个部件，其功能需要流体穿过它，材料、形状和尺寸决定了功能的实现程度。3.2. 产品功能分析虽然所提出的方法可以很容易地用于重新设计的情况下，它主要是为了新产品的开发。因此，它从产品的需求或所需的功能声明开始。此外，假设产品概念设计是完整的，因此产品概念也是过程的输入。此阶段旨在全面了解产品架构及其工作方式。为了清楚和一致起见，建议采用以下步骤来处理输入。步骤1 -外部功能分析。首先阐明了产品与其外部环境（即产品与之相互作用而不是产品本身的一部分的每一个事物）之间的相互作用。环境要素（EE）和产品之间的流动也被确定。步骤2 -功能细分细化。 产品的总体功能被分解为基本功能，例如使用调和功能基础（Hirtz等人，2002）（见表1）。然后，将基本功能安排在一个逻辑结构中，以实现总体功能。最后，使用协调流集合通过这些基本功能路由流（Hirtz等人，2002）（见表1）。步骤3 -产品架构。然后将衍生的概念分解为其组成部分，并根据产品内部和外部元素的部件间关系（运动学/技术对）进行分析其次，进行部件到功能的映射，以了解每个组件实现了哪些基本功能，最重要的是了解哪些流程表1样品从调和功能的基础和流程集提出了在赫兹等人。（2002年）的报告。函数基集类（小学）中学大专通讯员渠道进口表格入口，允许，输入，捕获处置、弹出、发射、清空、移除、销毁、消除搬运，运送，运送前进，举起，移动函数流集类别（小学）中学大专通讯员旋转平移生 物 化 学电气穿过组件（来自其他组件或来自EE）。在该阶段结束时，通过其部件间运动学关系、与外部环境的关系以及通过其部件的流动来3.3. 组件控制结构此阶段的目的是获得一个设计环境，在该环境中，产品3.3.1. 设计空间定义对于在部件与部件关系图中识别的每个部件，设计者以粗略形状（圆柱体、立方体等）的形式指定设计体积。然后，根据导出的概念相对于彼此定位设计空间。由于AM能够形成复杂的形状，因此没有相对运动的部件都可以被固结。然而，一些部件可能会受到磨损，因此需要经常更换，它们可能需要可拆卸，它们可能是外包的（例如标准部件），或者它们可能需要用未通过所选AM技术处理的材料或通过不同的制造工艺来制造在这些情况下，从它们的配合部件的设计空间中移除为这些部件限定的单独设计空间3.3.2. 功能接口对于每个组件，分析与其相邻组件以及（可能）与外部元素的关系，并拾取和定位相应的FI。定位G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）39两个部件之间的FI影响两个部件的设计空间。重复该过程，直到所有关系都被设计空间中的FI物理地实例化。在这个阶段，每个设计空间（或等效地每个待增材制造的组件）与其FI相关联，并且整个产品以布局形式建模。3.3.3. 增材制造情境化后处理增材制造组件所需的时间不应超过单独制造（由AM或非AM）组件的部件并按常规方式组装它们所需的时间因此，应注意工艺特定的约束条件，以便成功制造和后处理（如需要）。一旦开发的概念已经抽象为布局形式，并且通过正确的FI确保了功能，则必须考虑AM这些约束通过间隙设置、打印配置、打印方向选择和间隙的可访问性步骤1 -清除设置。为确保成功制造（和无缝后处理）而不影响与接头相关的功能，必须注意滑动FI对内的间隙所选择的间隙与所需的接头性能和打印分辨率有关。滑动面之间的间隙必须足够紧密，以确保接头性能（避免不稳定、振动和不必要的自由度）。它们还必须足够大，以防止在制造过程中接合面合并。根据配合表面的几何形状，间隙值不同。对于平坦表面（主要涉及棱镜对），报道的成功值包括SLA 和 SLS 机 器 的 0.3 mm （ Mavrostan 等 人 ， 2000年）。对于圆形表面，报告的成功值为0.5 mm（SLA和SLS （ Mavrostan 等 人 ， 2000 ） ） - 使 用 PolyJet 机 器（ Chen&Chen ， 2010 ） - 使 用 FDM （ Wei ， Tian ，Joneja ， 2016 ） - 使 用 SLM （ Su ， Yang ， Wang ，Chen，2013）-使用0.2 mm和0.05 mm（改变旋转接头的轴颈&&形状）。由于这些值特定于AM机器（精度、层厚）和所用材料，因此不能将其视为标准值;尽管它们可用作成功接合间隙的粗略估计值。此外，还有一些AM服务提供商Shapeways（2017）为他们的每种加工材料发布正确的清关值。然后，所有滑动FI将使用所需的间隙在空间上受到约束。这可能涉及抵消一些金融机构。步骤2- 打印配置。由于组件可以相对移动，由于它们彼此相对并且原位组装，因此它们可以以不同的构造制造。为了尽可能地减少间隙内对支撑结构（或未加工的原材料）的需求，并且为了允许尽可能多地接近间隙，部件此外，在可能的情况下，应移动部件，使得沿单个方向的间隙（例如，对于运动副，棱柱形、圆柱形等）大多数都沿着一个方向排列。实际上，在这种配置中，选择打印方向以避免间隙内的支撑结构需要较少的妥协。 从来没有-因此，在选择配置时，还必须注意以使产品不超过它。步骤3印刷取向影响印刷物品的参数的数量，这些参数包括尺寸精度、表面光洁度质量、强度、构建时间、支撑结构以及最终的成本。因此，确定制造方向是相当麻烦的任务，这涉及许多竞争目标：虽然方向可能产生最低的构建时间，但它可能是导致表面上最差的表面质量的方向，这对物品的性能至关重要许多研究已经针对明确定义了几何形状的零件解决了这一任务（Morgan，Cherry，Jonnalaganna，Ewing ， Sienz ， 2016; Pandey ， Venkata Reddy ，Dhande，2007）然而，在考虑组件时，我们认为主要关注的是间隙，尤其是尽可能避免间隙内的支撑结构（或未加工的原材料），因为它们对接头性能至关重要为了选择一个最佳的印刷方向，最大限度地减少后处理工作，应使用一个指标，使不同的方向可以进行定量比较。这些指标的要求包括：它必须取决于所有组件它必须提供在关节间隙内的捕获物质的测量由于去除松散（未加工）原材料（粉末或树脂形式）比去除固化的支撑结构更容易，无论其是否可溶，该措施必须以不同的方式考虑支撑结构和松散材料。支撑结构的存在应受到惩罚，惩罚值应高于松散原材料存在产生的值。对于单个接头，必须能够根据捕获材料的体积区分打印方向。因此，即使在任何两个方向上必须有支持（或未处理）材料，仍然有可能知道哪一个可能产生最少。参见图5，其中该要求用棱柱接头来说明。使用捕获的材料为了说明所有这些要求，我们提出了以下指标。对于接头i，将其以定向i打印在~u上的材料之间的量的测量将需要是：图五、区分两个需要支持的构建方向●●●●10G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）3¼¼Ji~ukucvi;uc~uksvi;ss~u1哪里表2在材料去除之间。v i;uc：未固化材料的体积v i;ss：支撑结构的体积为了惩罚支撑结构，kuc和kss是两个系数，使得kuckss。这一措施，中间材料类型未固化树脂SLA过程去除方法SLA基于重力的流量、吸力搬迁要求流体从内部流动的通道用于整个组件的是一个递增函数，所有的Ji~u：S~ufJ1; J2;. . . ;Jn2构造f的最简单的方法是通过求和或乘以Ji。提供了一个示例，未处理粉末水可溶性支撑结构SLM、SLS、3DPFDM，PolyJet基于重力的流量，吸力在溶液中冲洗，喷射热溶液粉末流的入口：几倍于颗粒尺寸的孔流体流过支架的图6中的旋转接头具有kuc1和kss100。一旦对所选配置中的每个打印方向进行S评估，最佳方向就是产生最低值的方向刚性聚合物支撑结构FDM、SLA脱离用手或工具获取工具S的值。第4即使已经选择了印刷方向以最小化未固化的和未固化的，刚性金属支撑结构SLM，透镜用手或工具挣脱获取工具间隙内的材料和支撑结构可能仍有间隙填充有支撑和/或松散材料（随后称为中间材料）。然后，必须注意间隙，以便根据它们填充的是什么，有一种清洁它们的方法，特别是有一个用于移除的通道。这就是这一步的目的。清除间隙的方法取决于间隙、中间材料的种类以及用于清除的工具的种类。表2列出了可能的情况。最关键的中间材料是粉末床熔合工艺所需的刚性金属支撑结构。尽管最近报道了可溶性金属载体结构（Lefky等人， 对于LENS工艺，金属支撑结构主要通过使用钳子或凿子从零件上移除。考虑到成功的间隙值（小于一毫米），这些工具可能不会有助于清洁间隙。硬支撑移除的替代解决方案可能是：- 微铣削：高精度铣削工具可以具有低至0.1 mm的直径的尖端，并且可以加工与非常硬的钢（HRC 55）一样硬的材料（其比典型的多孔金属支撑结构硬得多）。然而，这种解决方案可能受到刀具长度的限制。实际上，在高精度铣刀中发现的典型刀具1mm的间隙，其可能不足以达到整个间隙。- 激光切割：激光器对于激光可以达到的深度没有限制。这样的路线可以是有益的，因为它还可以但是，可能会出 现 与 热 切 割 工 艺 相 关 的 问 题 ， 特 别 是 热 影 响 区（HAZ）问题。- 水 射 流 切 割 ： 使 用 高 压 水 的 高 精 度 技 术 ， 如Microwater- jet®（Microwaterjet，2017），切割精度在0.01 mm范围内，定位精度可达3l m，可提供N7（Ra）的表面质量1.6l m），可以切割几乎任何材料，橡胶和钢。这种用于去除支撑件的解决方案具有“冷”的优点所确定的解决方案是允许进入微小间隙（与用于移除悬突下的支撑结构的常规工具相反）并且仍然有效地分离硬质材料的那些解决方案。只要为工具见图6。 被困物质测量图解。G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）311× × × ×能量（机械的或热的），这些解决方案中的任何一种都可以用于清洁可能的支撑结构的间隙。这就是为什么在拟议的方法中，获得许可的步骤具有高度重要性。必要时，设计空间将通过从外部到间隙的适当通道进行更新。通道取决于间隙本身和用于拆除支架的工具但是，如果提供间隙通道会导致修剪其中一个部件和/或过长且复杂的后处理，则应将接头3.4. 零部件几何定义一旦通过约束部件的设计空间和FI确保了功能性和可制造性 如图所示。 7、提出了一个以极简主义方式设计几何图形的五步策略。首先，绘制组件的FI形状。第二，FI在第三步中，定义连接FV的路径;这样做可以确保组件的连通性，或者确保特定流（甚至是第四，设计了连接元件为了提高部件的性能，截面可以是不同的类型，包括实心截面、具有网格结构的实心截面、中空截面、具有网格结构的中空截面等。为了避免尖角（并且等效地，应力集中），在第五步骤中对这些步骤中的每一个都导致一些几何参数。然后，这些组件最终被优化以生成一个行为和传递适当流的组件。保留以下方案用于参数优化：1. 选择每个参数的范围。2. 对参数的任何约束的说明。这些可以是几何约束，例如参数之间的关系，或确保适当行为的约束，例如最大应力或最小固有频率。 一方面，零件所传达的功能流，另一方面可以提供关于必须满足与适当行为相关的什么约束的指示。3. 将部件质量定义为目标函数。选择组件也可以选择对所选参数敏感并且与所寻求的性能相关的其他目标函数。4. 为例所提出的方法已被说明，通过设计一个小的，轻型的，房主的虎钳，其总体尺寸为：200 100 100毫米（L W H）。 它必须施加大约100磅的夹紧力。（约45 kg，或450 N）。虎钳将由钢制成，并且所选择的增材制造工艺是SLM。功能分析虎钳的概念是由一个框架（固定在支架上，包括一个钳口），一个杠杆，一个活动钳口和一个螺杆组成。通过这些部件之间的运动学对以及与外部元件的物理关系如图8所示，其中FI也在每个部件与部件的关系上进行了说明。产品中只有一种流动：力形式的能量。这种力量在图中描述。9 .第九条。组件的控制结构定义认为杠杆不是待增材制造的组件。实际上，它是一个简单的圆柱形部件，并且作为一个可能在施加于其上的扭矩下弯曲的部件，它需要是一个备件。因此，推导出了丝杆、动颚和机架的控制结构。图10a显示了根据导出概念的具有部件设计空间的布局模型;10 b.增材制造情境化1. 间隙设置。两对滑动表面是圆形的（螺杆和框架之间的螺旋对，以及螺杆和移动夹爪之间的旋转对）。动颚与机架之间还留有一对滑动面，与棱柱副相所有这些接头的间隙均设置为0.2 mm。2. 打印配置。实现移动钳口和框架之间的棱柱对的FI以任何方式重叠见图7。 与零件几何定义相关的步骤。12G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）3图8.第八条。产品见图9。 以机械能形式的功能流。见图10。 案例研究的虎钳布局模型，包括（a）体积包络和（b）FI。G. Sossou等人/计算设计与工程学报5（2018）313--þ-三个方向中的任何一个。然后，所选的打印方向为~x。四、出入许可。对于所选择的印刷方向，间隙内仅有的一种材料是松散的未加工粉末，并且这些间隙已经向外部开放，因此不需要提供通向它们的特定入口粉末可以通过抽吸或吹走的方式去除。见图11。改变螺杆（橙色部分）和活动钳口（绿色部分）之间的旋转副。定量，就像那些实现螺旋副一样。然而，为了减少材料可能被捕获的区域，转动副已经以某种方式改变，使得沿着~x方向的自由度不完全受到限制。 如图所示。当在X方向上移动时，螺杆通过接触其接口A来平移移动钳口，并且当在X方向上移动时，螺杆通过接触其接口A来平移移动钳口。在x方向上，通过与界面B的接触进行运动传递。因此，选择打印配置，使螺杆接触面位于界面A和界面B之间。间隙3. 印刷方向。图12示出了对三个主要打印取向的评估。正如人们可以直观地断言的那样，需要较少工作来发布过程的方向是沿着~x方向。实际上，在该取向中，所有间隙都平行于打印方向，这意味着在它们内部没有（硬金属）支撑结构。值得注意的是，在不改变旋转接头的情况下，在其间隙内将需要支撑结构，组件设计。一旦元件的设计空间被定位，它们的几何形状就可以被定义和优化。专有工具（Pegasus CAD Assistant（Demoly等人，2011）），其屏幕截图在图13中提供，已经用于半自动化功能接口的生成。图15显示了框架设计的步骤;定义了FI的几何形状、功能体积的厚度、连接元件的轮廓、定义其路径的空间曲线以及圆角半径的参数。连接元素已使用放样功能生成。使用COMSOL Multiphysics ®，进行参数优化，以最大限度地减少框架重量，同时保持最大应力低于所选钢材的屈服应力。首先运行模拟以了解最关键的区域在哪里。这表明在参数优化中必须包括哪些参数，以及可以忽略哪些其他参数。对于框架，向上21个几何参数可用于几何优化。如图16所示，限定框架和夹爪之间的连接元件的参数（特别是填充半径）必须包括在优化中。所示如图14所示，最终仅保留9个参数用于优化。仅以虎钳的重量作为目标函数，材料的屈服应力被用来约束最大冯·米塞斯强调。由于峰值应力的位置可以从一个地方跳到另一个地方，因此该约束是不可微的;因此选择了无梯度优化算法。在配备英特尔酷睿i5处理器的笔记本电脑上使用COMSOL Multiphysics©中实现的线性近似约束优化（COBYLA）方法（2× 1： 9 GHz）和8 GB RAM，优化耗时40 min 32 s。见图12。印刷方向选择。14G. Sossou等人