3Dプリント技術 3Dプリントモデル構造解析

3Dプリント技術 3Dプリントモデル構造解析
3D プリント技術は、パーソナライズされた製品のカスタマイズの普及と推進を促進し、誰もが 3D 幾何学モデルを設計し、独自の製品のデザイナーになることを可能にしました。設計経験と機械知識の不足により、直接 3D プリント後の設計結果には、強度の問題、安定性の問題など、いくつかの構造上の問題が生じます。強度が不十分だと、印刷中、輸送中、または日常使用中に 3D モデルが損傷する可能性があります。また、安定性に問題があると、3D モデルを適切に配置したり吊り下げたりすることができず、日常使用機能に影響を及ぼします。このような問題を構造解析問題と呼びます。その主なタスクは、3D モデルの強度または安定性の欠陥を特定し、適切かつ合理的な補償ソリューションを提供することです。

1. 強度強化 強度の問題に対応して、文献では、構造強度の問題を自動的に検出して修正し、構造強度と整合性を向上させながら、外観を元のモデルに可能な限り近づけた新しい 3D モデルを作成するための体系的なソリューションが提供されています。この方式では、軽量構造解析ソルバーを使用した計算によってモデルの構造強度の問題が特定されます。次に、検出された強度の問題に基づいて、図 10 に示すように、内部掘削、局所的な厚みの増加、サポートの追加という元のモデルを修正する 3 つの方法を紹介します。


構造強度の問題と修正方法

文献に記載されている解決策は、モデルの構造性能を効果的に改善し、高強度の応力領域の発生を回避します。しかし、この方式の最大の制限は、構造強度をテストするときに、モデルが耐える可能性のある外部荷重条件をシステムが事前に設定し、モデルが構造強度計算を実行するために 1 つまたは複数のピンチ型外部荷重を明示的に指定する必要があることです。もちろん、モデルの重力荷重も考慮する必要があります。明らかに、多くのモデルでは、この事前設定された荷重はモデルの実際の荷重分布を十分に反映できないため、構造解析結果の信憑性と信頼性を十分に保証することはできません。

2. 最も不利な負荷
上記の問題に対して、文献ではより良い解決策が提示されています。この方式は、モデルの構造強度問題を予測または検出する場合、前述のモデルの荷重条件を明示的に指定または設定する方法とは異なります。図 11 に示すように、最も不利な荷重条件 (最悪ケース) を探し、それに基づいてモデル上で最も脆弱な部分または最も大きな変形が発生する領域を特定します。


最悪のケースの計算例

このソリューションの中核となる方法は、モーダル解析です。構造解析の分野では、物体が異なる周波数で振動すると、この振動によって物体の脆弱な部分に高い応力や大きな変形が生じます。モーダル解析は、振動による構造物の損傷や変形の可能性を予測するために使用される古典的な方法です。
プログラムの主な手順は次のとおりです。

(1)入力モデルのモードを計算する。
(2)モデルの各モードについて、対応する弱点領域を計算し抽出する。
(3)各弱点領域について、一連の最適化問題を解くことによって最も不利な荷重分布を計算する。
(4)有限要素法を用いて上記荷重分布下におけるモデルの応力を計算し、弱部の最大応力分布を求める。

最終結果は、上記の各モードにおけるモデルの最も不利な荷重分布と最大応力分布を総合的に考慮して決定されます。


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