增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品 課件 第7、8章 增材制造創(chuàng)新綜合應(yīng)用實(shí)例、4D打印與增材制造的未來

第7章增材制造創(chuàng)新綜合應(yīng)用實(shí)例增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents3217.33D打印筆7.2踝足矯形器7.1靜脈槍案例導(dǎo)入上幾章學(xué)習(xí)了增材制造技術(shù)原理，各種打印材料，軟件，及打印設(shè)備操作方法，如何將它們?nèi)跁?huì)貫通利用起來設(shè)計(jì)一款3D打印的創(chuàng)新產(chǎn)品呢？本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)掌理解并掌握3D打印在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作中的基礎(chǔ)應(yīng)用流程。理解逆向工程在零件設(shè)計(jì)優(yōu)化和制造中的關(guān)鍵作用，并學(xué)會(huì)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行零件的精確測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。2、能力目標(biāo)能夠利用3D打印技術(shù)制作出符合要求的零部件，并理解其在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。培養(yǎng)應(yīng)用逆向工程獲取復(fù)雜曲面的精確數(shù)據(jù)的能力，并理解其在復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。培養(yǎng)利用逆向工程技術(shù)獲取高深度模型精確數(shù)據(jù)的能力，并熟悉數(shù)據(jù)處理和分析的方法。能夠應(yīng)用逆向工程技術(shù)對(duì)零件外殼進(jìn)行精確測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，并熟悉其在精度檢測(cè)中的應(yīng)用方法。掌握利用逆向工程結(jié)合3D打印技術(shù)制作符合患者需求的康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)品原型的能力。理解3D打印技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和潛在問題，并學(xué)會(huì)提出改進(jìn)措施。

培養(yǎng)創(chuàng)新思維與設(shè)計(jì)意識(shí)和增強(qiáng)跨學(xué)科融合能力。3、素養(yǎng)目標(biāo)學(xué)會(huì)在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中考慮倫理因素，確保設(shè)計(jì)方案合理性和可持續(xù)性。

培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感和奉獻(xiàn)精神，關(guān)注增材制造技術(shù)在社會(huì)中的應(yīng)用和影響，為社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。7.1逆向建模與3D打印綜合實(shí)例——靜脈槍醫(yī)療器械產(chǎn)品PROE逆向設(shè)計(jì)高階建模案例——靜脈槍產(chǎn)品如圖所示：由于需要建模的零部件較多，這里以上殼建模的過程為例，講解建模的思路和導(dǎo)入Rhino軟件后的操作方法。1.先把掃描的STL文件導(dǎo)入到犀牛中，通過犀牛把多余的雜面給刪除。（如果點(diǎn)擊雜面，出現(xiàn)雜面與大身相連的情況，需要把整體選擇，在進(jìn)行炸裂，使所有相連的面進(jìn)行分離。）2.將模型與犀牛的全局坐標(biāo)對(duì)齊，對(duì)齊后保存stl文件，將保存的文件導(dǎo)入到proe里，proe的坐標(biāo)也自動(dòng)會(huì)和模型對(duì)齊，這步驟我們稱為“對(duì)坐標(biāo)”。（對(duì)坐標(biāo)時(shí)要尋找模型的特殊特征，比如模型的平面、圓形等，這些特征能夠真正的輔助于我們對(duì)齊坐標(biāo)，這樣對(duì)齊坐標(biāo)會(huì)更加容音，會(huì)更加準(zhǔn)確，后期建模也會(huì)很方便。）3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點(diǎn)擊“文件”選項(xiàng)卡里的“新建”，彈出“新建”對(duì)話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點(diǎn)擊“插入”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項(xiàng)”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會(huì)出現(xiàn)一系列的未知的問題。3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點(diǎn)擊“文件”選項(xiàng)卡里的“新建”，彈出“新建”對(duì)話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點(diǎn)擊“插入”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項(xiàng)”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會(huì)出現(xiàn)一系列的未知的問題。3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點(diǎn)擊“文件”選項(xiàng)卡里的“新建”，彈出“新建”對(duì)話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點(diǎn)擊“插入”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項(xiàng)”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會(huì)出現(xiàn)一系列的未知的問題。3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點(diǎn)擊“文件”選項(xiàng)卡里的“新建”，彈出“新建”對(duì)話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點(diǎn)擊“插入”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項(xiàng)”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會(huì)出現(xiàn)一系列的未知的問題。4.前期數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)入完成后，開始正式的逆向建模。首先將模型的外輪廓用樣條曲線草繪出來。5.在繪制一條草繪線，該草繪后期需與所做的基準(zhǔn)面相交出參考點(diǎn)。6.在需要做基準(zhǔn)面的地方拉伸曲面。7.利用前面畫的草繪和做的基準(zhǔn)面相交做參考點(diǎn)。8.在各個(gè)基準(zhǔn)面上畫各截面的輪廓草繪。9.根據(jù)前面所畫的草繪線，利用邊界混合出曲面。大概的操作步驟就講到這里，下面講解一下總體逆向建模思路和技巧：對(duì)齊到正向建模軟件的坐標(biāo)系，這步是前期處理模型，可以用geomagic或者其他的讓軟件做，但是犀牛（Rhino）做起來是最簡(jiǎn)單的，可以快速的刪除沒用的數(shù)據(jù)擺正坐標(biāo)，做完這步就可以導(dǎo)出stl文件到ProE里建模了，因?yàn)檫@步只是做外殼所以只用一半的模型就好了，強(qiáng)行用兩部分模型放在一起對(duì)齊坐標(biāo)也沒用，軟件處理都會(huì)有誤差。到時(shí)候鏡像就是另外一半的模型了。導(dǎo)入模型到ProE里，導(dǎo)入模型的時(shí)候最好不要直接把stl文件直接拖入proe里，這樣系統(tǒng)不自帶坐標(biāo)和基準(zhǔn)面，用數(shù)據(jù)導(dǎo)入比較好。沿邊緣描線做輪廓。描線的原則是倒角不描，如果是標(biāo)注的圓用標(biāo)準(zhǔn)的圓，直接用直線描，其他的盡量用弧線貼合邊緣。構(gòu)建曲面草圖的基準(zhǔn)面，這里的小技巧是不用基準(zhǔn)面去做，只用拉伸的折線面做比較好，這樣做出來的基準(zhǔn)面比較好控制，哪里需要在哪里加就可以了，也方便修改。注意，這里的基準(zhǔn)面只能用直線不用弧線做，否則拉伸出來的就是弧面不能做基準(zhǔn)面用的。哪里需要做基準(zhǔn)面的原則是哪里變形大就哪里加基準(zhǔn)面，不是基準(zhǔn)面加的越多月好，兩根直線是一個(gè)平面，如果中間人工加了太多的控制線得出來的曲面是會(huì)不光滑的，還有就是我們構(gòu)建曲面也不是一次成型的，需要看要求分開做，一次成型的大面很容易變形。還有就是proe畫草圖的時(shí)候會(huì)自己生成很多約束關(guān)系，不必要的約束關(guān)系要?jiǎng)h除掉，這樣才不會(huì)修改一部分草圖就影響到另外的草圖導(dǎo)致不可控制的后果。做輪廓線確定的尺寸最好標(biāo)注后直接鎖定標(biāo)注，這樣才不會(huì)畫好的草圖隨意的飄，如果是對(duì)稱的模型在邊緣處一定要是和基準(zhǔn)面垂直，如果是曲線的話要標(biāo)注是和基準(zhǔn)面是90°，這樣鏡像出來得到的另外一面才不會(huì)有棱角。建模的時(shí)候要先抓大的結(jié)構(gòu)，小曲面的處理要后面修補(bǔ)，如果不先做大面一個(gè)一個(gè)小的曲面縫合起來模型會(huì)不光滑。多根多段曲線邊界混合的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)曲面的現(xiàn)象，這要求我們?cè)谶吔缁旌侠锏目刂泣c(diǎn)中把點(diǎn)對(duì)齊，這樣就不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)曲面了，這個(gè)在視頻里面會(huì)有詳細(xì)說明。構(gòu)建曲面的時(shí)候不應(yīng)該先倒角，要先處理大的曲面后面統(tǒng)一倒角，要不會(huì)有很多小碎面。拉伸一個(gè)弧面然后在造型里面使用造型在曲面上的線是一種比較好的做空間曲線的方法。有曲面過渡的模型構(gòu)建實(shí)體建議是先構(gòu)建曲面后實(shí)體化最后抽殼，不建議構(gòu)建曲面后直接加厚，那樣會(huì)有很多莫名的問題。抽殼小技巧，如果模型不能抽殼可以用分析半徑然后點(diǎn)選曲面去測(cè)量曲面可以得到的最小的抽殼厚度，還有一個(gè)方法是先倒一個(gè)小一些的圓角，然后觀察殼體結(jié)構(gòu)線，如果結(jié)構(gòu)線相交了那這里就問題點(diǎn)，注意：如果要抽殼2.0mm倒角最好是大于2.0mm。對(duì)于凸出的結(jié)構(gòu)體使用復(fù)制曲面然后實(shí)體化切除不需要的模型是一個(gè)常用的方法。做對(duì)稱的模型最好用top-down模式，有一個(gè)主控文件，主控文件一般是把模型的外殼可螺絲柱定位好，然后通過插入共享數(shù)據(jù)復(fù)制幾何去把主控文件發(fā)布出去，然后再在子零件中復(fù)制幾何，修改大體模型主要在主控文件中修改，子文件主要加螺絲柱加強(qiáng)筋等等。實(shí)體化是一個(gè)很好用的切割工具命令。替換面可以做細(xì)節(jié)，把兩個(gè)面合并到一起。這個(gè)用實(shí)體去填缺陷的方法可以注意下，挺常用。在一個(gè)零件上去拆另外一個(gè)零件主要的方法就是復(fù)制這個(gè)零件的面然后去偏移得到另外一個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，把兩個(gè)零件分開的主要方法就是實(shí)體化，然后把分開的兩個(gè)部分用發(fā)布幾何和復(fù)制幾何拆開成單獨(dú)的零件。抄數(shù)由于數(shù)據(jù)可能不是那么精準(zhǔn)畫出一半以后要使用發(fā)布幾何和復(fù)制幾何傳遞數(shù)據(jù)，不能死摳掃描的數(shù)據(jù)，一塊一塊的話，要不做出來的模型肯定出錯(cuò)，有些結(jié)構(gòu)是定位用的，有些是壓pcb板的，要看用途，不同類型的結(jié)構(gòu)畫圖精度也是不一樣的。發(fā)布幾何的意思類似于你是項(xiàng)目主管，你把項(xiàng)目分成了不同的部分，然后派發(fā)出去，復(fù)制幾何就是你拿到你的任務(wù)然后在這個(gè)任務(wù)上繼續(xù)細(xì)化，這種拆分結(jié)構(gòu)的方法叫TOP-DOWN，網(wǎng)上有很多教程可以看看。7.2生物逆向工程與3D打印拓?fù)鋬?yōu)化綜合實(shí)例——踝足矯形器以足內(nèi)翻患者的踝足矯形器為設(shè)計(jì)對(duì)象，傳統(tǒng)工藝制作的石膏熱塑板踝足矯形器產(chǎn)品笨重，氣密性低，患者依從性低，長(zhǎng)時(shí)間佩戴后可能會(huì)對(duì)患者骨突等壓力敏感區(qū)造成擠壓、皮膚潰爛等問題，且這種工藝制作流程復(fù)雜，勞動(dòng)力大，矯形器師和骨科醫(yī)師短時(shí)間內(nèi)很難掌握，其取型時(shí)還需準(zhǔn)備噴漿石膏繃帶、度尺、剪刀、凡士林、水槽、取型服、毛巾、直尺、記號(hào)筆、木墊塊、大號(hào)卡尺、切割軟管等物品，制作效率低?？紤]到上述問題，現(xiàn)多采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)3D打印踝足矯形器，這種技術(shù)方法較于傳統(tǒng)工藝制作效率更高，且骨科醫(yī)師容易掌握，產(chǎn)品質(zhì)量輕、透氣性強(qiáng)、美觀、患者依從性也更高，其設(shè)計(jì)制作流程如右圖所示。DICOM影像資料獲?。航?jīng)知情同意，招募1名健康男性志愿者(25歲，身高172cm，體質(zhì)量66kg)，無足部畸形、損傷及肌肉病史。采用飛利浦PhilipsBrilliance64層螺旋CT機(jī)對(duì)志愿者足踝部進(jìn)行掃描，層間隔為0.625mm，最終獲得掃描斷層數(shù)量為410層，將Dicom格式的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件。7.2.1CT數(shù)據(jù)采集踝足模型建立是通過CT影像技術(shù)對(duì)骨骼、軟組織模型進(jìn)行三維重建，基于逆向工程技術(shù)完成了足部骨骼、軟組織等三維模型的NURBS曲面重構(gòu)與數(shù)據(jù)優(yōu)化，得到符合人體生理解剖特征且精度較高的幾何模型。7.2.2踝足模型建立1、Mimics數(shù)據(jù)處理：首先將獲取的DICOM斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，軟件自動(dòng)生成冠狀面、水平面和矢狀面的斷層圖像，觀察圖像并分析，為提高建模效率，視建模復(fù)雜情況選擇最利于重建三維模型的平面即可，并不需要三個(gè)平面圖像均處理。選擇Newproject功能，導(dǎo)入文件。這時(shí)只顯示圖層影像視圖，并不顯示虛擬三維模型，選擇Segment工具欄下的Threshold命令，閾值區(qū)間范圍可以自定，也可根據(jù)軟件自動(dòng)生成的Bone（CT）閾值來選擇，設(shè)原始圖像為f(x，y)，按照一定得閾值規(guī)則在f(x，y)中確定若干門限值H1，H2，...，HN（N≥1），骨骼閾值灰度一般為226-1821，軟組織閾值灰度一般為37-276。2、導(dǎo)出初始模型：接著選擇Mask3DPreview，使實(shí)體模型顯示出來。此時(shí)生成的模型和其他骨骼相粘連，因文章主要研究踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，故主要建立足部所有骨骼和小腿部位的脛骨與腓骨。3、Studio數(shù)據(jù)處理：使用Mimics軟件得到的骨骼、軟組織模型較原始模型精度有明顯提高，但表面仍有粗糙雜點(diǎn)、尖刺無法去除、大量三角面片重疊、相交的現(xiàn)象，且STL數(shù)據(jù)模型不是真正實(shí)體，在正向建模中無法對(duì)模型進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，還需使用GeomagicStudio軟件經(jīng)過逆向建模流程進(jìn)一步優(yōu)化處理得到表面精度更高、更符合生理解剖學(xué)、真實(shí)度更高且可用于后續(xù)有限元仿真的三維實(shí)體模型。4、完整踝足模型：最后導(dǎo)出處理完整的踝足模型。使用Geomagic對(duì)模型重復(fù)跟骨的多邊形處理階段后，需繪制出踝足矯形器的初始輪廓邊界，進(jìn)而裁剪。在Geomagic里使用“曲線”繪制功能描繪矯形器初始邊緣，本文主要研究踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，患者踝關(guān)節(jié)處活動(dòng)自由度受限，故繪制時(shí)將內(nèi)外踝附近范圍進(jìn)行包裹，便于后期患者的康復(fù)。矯形器對(duì)內(nèi)外踝包裹覆蓋范圍應(yīng)視患者具體情況而定，輪廓線參照上面踝足矯形器設(shè)計(jì)制造流程圖。7.2.3輪廓線取型通過輪廓線裁剪得到初始矯形器輪廓后，再通過偏移命令對(duì)矯形器進(jìn)行加厚處理，得到矯形器初始模型，接下來對(duì)矯形器初始模型進(jìn)行修型，矯形器的前足部位設(shè)計(jì)時(shí)可達(dá)到人體足底的三分之二，或覆蓋全足并適當(dāng)延申，且矯形器的前足滾動(dòng)邊需前翹約1cm，目的是患者穿戴以后方便行走的同時(shí)提高舒適度，故對(duì)初始矯形器的前足進(jìn)行修型。前足滾動(dòng)邊修型后，矯形器的開合兩邊處應(yīng)盡量滿足平行條件，目的是保持并不影響患者在佩戴踝足矯形器后對(duì)皮膚的三點(diǎn)力干預(yù)，保證矯正康復(fù)效果，其次是提高美觀度，最終得到完整矯形器模型。7.2.4生成矯形器模型7.2.5矯形效果仿真內(nèi)翻10°第五跖骨第四跖骨第三跖骨第二跖骨第一跖骨矯正前（Mpa）9.89565.80343.18621.51881.0753矯正后（Mpa）8.38366.74903.42911.61301.0838（a）矯正前

（b）矯正后運(yùn)用ANSYS中的Workbench模塊仿真分析基于三點(diǎn)力原理足內(nèi)翻矯形器的矯正效果，對(duì)比冠狀面、水平面三點(diǎn)力矯形效果，通過網(wǎng)格劃分與設(shè)置材料屬性，施加載荷與邊界約束，對(duì)矯形器的矯正效果進(jìn)行評(píng)估，在滿足人體下肢痛閾時(shí)得出兩平面聯(lián)合作用下的矯正力系統(tǒng)效果最佳，具體矯形效果仿真分析的步驟就不詳細(xì)解釋了，這里只展示結(jié)果。在水平面和冠狀面兩平面三點(diǎn)力矯正的作用下，外側(cè)第五跖骨最大壓力由9.8956MPa降低至8.3836MPa，降低了15.28%，外側(cè)跗跖關(guān)節(jié)處應(yīng)力也有顯著改善，而內(nèi)側(cè)第四至第一跖骨分?jǐn)傊涡Ч黠@增加，由有限元仿真的視頻動(dòng)畫顯示，足踝關(guān)節(jié)處有明顯的外翻動(dòng)作，在放大變形比例（Autoscale）下的后足位移角度測(cè)量結(jié)果如圖14所示，跟骨內(nèi)翻角由10°矯正至7.25°，內(nèi)翻角度改善27.5%。故可認(rèn)為設(shè)計(jì)的矯形器通過施加三點(diǎn)力對(duì)矯正足內(nèi)翻改善跖骨受力情況是完全有效的。7.2.5矯形效果仿真材料使用的PLA，將制作的踝足矯形器X_T文件導(dǎo)入ANSYS，相關(guān)材料機(jī)械屬性可在已被發(fā)表的期刊論文里找，將矯形器底部表面施加固定約束，上部表面模擬穿戴時(shí)的受力，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析。上述邊界條件與優(yōu)化設(shè)計(jì)空間設(shè)定完成后進(jìn)行求解計(jì)算，保留質(zhì)量為40%、50%、60%的分析結(jié)果如上圖7-366所示，能夠看出，三種方案優(yōu)化后的鏤空區(qū)域基本相差不大，均在矯形器的上部、右側(cè)下部、左側(cè)下部分。這些區(qū)域可利用正向建模設(shè)計(jì)軟件將模型挖孔來重構(gòu)，但也不能根據(jù)ANSYS的優(yōu)化結(jié)果大量打孔去除材料，如果矯形器模型表面這些優(yōu)化區(qū)域過于空洞，會(huì)降低矯形器的機(jī)械強(qiáng)度與力學(xué)性能，無法保證患者的矯正與康復(fù)效果。矯形器保留40%、50%、60%質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)果如下所示。7.2.6拓?fù)鋬?yōu)化仿真依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，將矯形器三維模型文件導(dǎo)入Rhino的Grasshoppper插件中，將模型擺放整齊，利用特征曲線提取、特征曲線切分等命令進(jìn)行設(shè)計(jì)，泰森多邊形紋理是鏤空最佳方案，可保證矯形器滿足力學(xué)性能的前提下達(dá)到減少質(zhì)量的要求，提高經(jīng)濟(jì)性要求，故本設(shè)計(jì)使用泰森多邊形對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)有限元結(jié)果來控制泰森多邊形的鏤空半徑、數(shù)量、間隔距離。具體的設(shè)計(jì)程序這里就不過多展示了，下面是Rhino軟件對(duì)矯形器模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖所示。7.2.7輕量化鏤空設(shè)計(jì)完成踝足矯形器輕量化鏤空設(shè)計(jì)后，因后續(xù)將使用熱塑性樹脂材料進(jìn)行打印，為保證其剛度，三種方案的矯形器力學(xué)性能還需進(jìn)一步驗(yàn)證，目的是篩選出最佳的設(shè)計(jì)方案。此部分需要控制單一變量，及在矯形器厚度均一致的前提下進(jìn)行篩選，這里使用的矯形器厚度為4mm（單一變量）。將矯形器模型導(dǎo)入ANSYS軟件使用靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)模塊分別進(jìn)行分析，其結(jié)果如下圖所示。仿真結(jié)果顯示最大集中應(yīng)力均小于PLA的抗拉強(qiáng)度（59Mpa），不會(huì)發(fā)生斷裂，鏤空前的矯形器質(zhì)量為408.8克，經(jīng)過對(duì)比，在均滿足強(qiáng)度性能的前提下，且質(zhì)量最小，此鏤空設(shè)計(jì)為最佳選擇。7.2.8矯形器應(yīng)力仿真在打印踝足矯形器前，應(yīng)充分考慮矯形器開合兩邊處綁帶的安裝位置，矯形器開合兩邊應(yīng)與人體小腿軟組織緊密貼合，故需要對(duì)矯形器兩邊進(jìn)行打孔，便于綁帶和尼龍搭扣元件的裝配。將矯形器STP模型導(dǎo)入Solidworks軟件對(duì)其進(jìn)行打孔，根據(jù)市面上的各類矯形器鉚釘直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，圓孔直徑不宜過大，也不宜過小，本文將圓孔直徑設(shè)為4mm，并在矯形器三點(diǎn)矯正力施加部位設(shè)置多個(gè)孔洞，可與綁帶聯(lián)合作用進(jìn)行微調(diào)，提高患者的舒適度，方便鉚釘插入矯形器進(jìn)行固定。如矯形器的配件如鉚釘、方形圈、綁帶以及尼龍搭扣，使用草圖繪制、旋轉(zhuǎn)、凸臺(tái)拉伸、切除拉伸、掃描等功能完成正向建模設(shè)計(jì)。矯形器打孔完成后，將模型STL文件導(dǎo)入Geomagicstudio或MaterialiseMagics軟件對(duì)模型進(jìn)一步檢查、修復(fù)模型交叉、重疊、自相交曲面，這樣可提高打印后的產(chǎn)品精度。最終完成的踝足矯形器三維幾何如右圖所示。7.2.9配件設(shè)計(jì)完成上述前處理操作后即可進(jìn)行3D打印，本文采用實(shí)驗(yàn)室自研的FDM3D打印機(jī)進(jìn)行打印。在切片軟件Cura中調(diào)整好擺放位置后，依據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，將打印機(jī)的最佳打印工藝參數(shù)調(diào)整為層厚0.2mm，打印速度30mm/s，打印溫度為224℃，使用材料為具有生物相容性且環(huán)保的熱塑性樹脂聚乳酸（PLA）。打印完成后再進(jìn)行打磨、配件裝配等后處理工作，完成的個(gè)性化踝足矯形器見下圖所示。7.2.10打印成品展示7.3正向創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印綜合實(shí)例——3D打印筆本產(chǎn)品結(jié)合人機(jī)工程學(xué)與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款全新的3D打印筆如右圖，并為之加上獨(dú)特的矯正偏移模式、創(chuàng)作配套的造型書籍，為自閉癥兒童在的治療提供一種全新的以3D打印為樂趣的解決方案。本產(chǎn)品充分利用3D打印筆的特性，吸引兒童乃至自閉癥兒童的的興趣，鍛煉使用者的空間構(gòu)成能力與藝術(shù)美感，給用戶兒童提供一種較低成本的科普途徑?；趯⒆蚤]癥兒童從自己的思維里面解放出來的基本思想，兒童在描繪圖標(biāo)時(shí)，通過學(xué)習(xí)這些標(biāo)識(shí)，可以幫助他們對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉。讓他們沿著這些曲線去練習(xí)，運(yùn)用這樣的方法為他們的康復(fù)提供一定的幫助，有利于提高他們學(xué)習(xí)這些知識(shí)的專注力和立構(gòu)能力。7.3.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)思通過對(duì)兒童人機(jī)的分析，我們決定把兒童手抓握部位做到盡可能的細(xì)小。如下圖所示，首代3D打印筆概念及草圖模型，靈感來自于海豚，整體外觀呈紡錘形體，順滑優(yōu)美的弧度曲線。二代打印筆草繪模型在前一代的基礎(chǔ)上加寬了筆體，同時(shí)將按鍵放在一起，更符合兒童手掌抓握給孩子更好的體驗(yàn)，三代打印筆草繪模型主體采用四棱柱，在使用時(shí)更易抓握，由于內(nèi)部硬件PCB和輕觸按鍵的尺寸要求，兩側(cè)殼體單邊壁厚2mm，我們最終確定最小尺寸部分達(dá)12mm左右，這個(gè)尺寸是符合兒童抓握的，因?yàn)樵谝恍﹥和褂玫乃使P中，水彩筆的徑向尺寸大小有在12mm左右的。對(duì)于這款打印筆的按鍵設(shè)計(jì)，我們也是盡可能的做得大些，這樣在用戶他們按起來沒那么費(fèi)勁，由于用戶在按按鍵的時(shí)候，指面接觸的面積增大了，會(huì)極大的減少用戶手指的按壓感，這樣能給用戶長(zhǎng)時(shí)間使用帶來舒適性。不僅如此，我們?cè)诠δ苌弦矊?duì)一些常用或一直需要按壓的按鍵做了程序上的設(shè)計(jì)，比如打印筆的出絲鍵，按一下他就出絲，松開則不出絲，用戶在使用這個(gè)功能的時(shí)候，大多是需要打印筆持續(xù)出絲使用的，所以需要用戶一直按著出絲鍵不松開，才能實(shí)現(xiàn)這樣持續(xù)出絲的功能，長(zhǎng)時(shí)間5分鐘、10分鐘和20分鐘的持續(xù)按著，手指會(huì)很僵硬很累，甚至?xí)霈F(xiàn)手指表層向內(nèi)凹陷。所以通過PCB里設(shè)計(jì)的程序，連續(xù)按兩下出絲鍵可達(dá)到自動(dòng)出絲的效果。7.3.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)思這款3D打印筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就相當(dāng)?shù)膹?fù)雜了，設(shè)計(jì)到很多機(jī)械結(jié)構(gòu)和注塑結(jié)構(gòu)的知識(shí)。如下圖所示，這款打印筆涉及的結(jié)構(gòu)太多，我就選其中一些典型結(jié)構(gòu)出來做解釋。比如內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這款打印筆的顯示屏幕設(shè)計(jì)也是符合用戶觀看視覺的，在屏幕的大小尺寸選擇時(shí)，我們的原則是做到盡可能的大，盡可能的把用戶需要的信息反饋完全，而且還有跟外觀整體的比例大小搭配，屏幕上需要顯示當(dāng)前材料、當(dāng)前溫度和該材料的最高溫度、出絲速度檔位、正常模式或矯正模式、矯正角度的設(shè)定、設(shè)定的時(shí)間檔位調(diào)節(jié)等。還需要考慮在長(zhǎng)期使用中，保護(hù)好屏幕不被摩擦刮花，因?yàn)楣位司蜁?huì)對(duì)用戶觀看屏幕反饋的信息有影響，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)透明的保護(hù)蓋保護(hù)屏幕。7.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與proE正向建模舉完該打印筆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的例子，接下來講講塑膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的例子。就拿典型的透明顯示保護(hù)屏和上殼連接作為例子。顯示保護(hù)屏為透明的PS材料，上殼為ABS材料。有兩種結(jié)構(gòu)可以將這兩零件連接在一起，分別是超聲熔線和熱熔柱結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都能使得兩個(gè)零件能緊固的連接在一起，并且在外觀上看不到任何連接的痕跡。我們把這兩種結(jié)構(gòu)作對(duì)比，超聲熔線結(jié)構(gòu)相比于熱熔柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。所以后面我們選擇了熱熔柱結(jié)構(gòu)。熱熔柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮到熱熔柱穿過上殼，預(yù)留出來的長(zhǎng)度和虛位。長(zhǎng)度留長(zhǎng)了，可能會(huì)引起熱熔后和其他零件存在干涉；長(zhǎng)度留短了，會(huì)造成不好熱熔后熱熔失敗，連接不緊固等問題。預(yù)留出來的虛位應(yīng)正好合適，虛位過小會(huì)引起熱熔前期裝配困難，效率低下；虛位過大，可能引起熱熔后不緊固，通過透明件的外觀會(huì)看到熱熔的結(jié)構(gòu)，影響整體外觀的美觀性。打印筆里面同樣也蘊(yùn)含很多的塑膠結(jié)構(gòu)，細(xì)致的建模流程和模型展示在掃碼獲取，在這里就不進(jìn)行詳細(xì)解釋了，如下圖所示，設(shè)計(jì)完整的模型利用proE軟件將其建模裝配出來。7.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與proE正向建模7.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與proE正向建模如下圖所示，此設(shè)計(jì)的3D打印筆有著國(guó)內(nèi)首創(chuàng)偏移矯正功能，可以精準(zhǔn)控制抓握姿態(tài)，為兒童提高專注力提供了新的思路，實(shí)現(xiàn)了專注力訓(xùn)練的特殊功能。偏移矯正功能便是監(jiān)測(cè)角度，超過所設(shè)矯正角會(huì)提醒，并且指示燈開始閃爍，達(dá)到糾正他的專注度以及書寫姿勢(shì)的作用。在他們使用模板繪制圖形時(shí)，就能檢測(cè)到他們使用打印筆時(shí)，打印筆傾斜的角度?？梢越o矯正功能設(shè)置一個(gè)角度偏移的大范圍，比如以PCB垂直為0°，旋轉(zhuǎn)一周偏移的45°均可以檢測(cè)得到，但在0°-45°之間，還是可以通過按鍵調(diào)節(jié)檢測(cè)角度范圍的大小。這樣在自閉癥兒童在訓(xùn)練平衡力的時(shí)候，可以由角度偏移較大慢慢達(dá)到角度偏移小的趨勢(shì)發(fā)展，在他們使用的時(shí)候，所偏移的角度會(huì)在顯示屏上顯示，偏移量超過了所設(shè)定的矯正角度時(shí)，打印筆會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，并伴有紅燈提示，幫助他們及時(shí)矯正不平衡姿勢(shì)。當(dāng)他們?cè)谝?guī)定時(shí)間內(nèi)使用時(shí)，發(fā)生矯正警報(bào)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行矯正回來，則不記偏移次數(shù)，當(dāng)他們超過1秒后還沒進(jìn)行矯正，則記為一次，后面記數(shù)則累加，后期也可以通過在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成模板繪制，總矯正警報(bào)了多少次，后期可以通過完成同一個(gè)模板，矯正警報(bào)的次數(shù)的多少，來衡量自閉癥兒童平衡力訓(xùn)練的進(jìn)步性。7.3.3矯正偏移系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.3.3矯正偏移系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.3.4PTC電路板設(shè)計(jì)將3D打印機(jī)的控制電路裝換為PCB控制板，如下圖所示從而極大地縮小了各個(gè)部位機(jī)器所占的空間。打印筆將3D打印機(jī)的噴頭改裝為陶瓷頭和黑色的加熱筆頭，通過上面部分將材料送入筆頭，用筆頭將材料加熱送入陶瓷頭擠出從而打印出軌跡。將3D打印機(jī)原有的絲杠結(jié)構(gòu)等全部用人手代替，帶動(dòng)著打印筆畫出使用者想要的軌跡。打印筆的馬達(dá)用到6級(jí)齒輪減速和一級(jí)蝸輪蝸桿，6級(jí)齒輪就只起到了減速作用，但那一級(jí)蝸輪蝸桿不僅起到了減速，還起到了直角變位作用，也就將馬達(dá)直線輸出改為直角輸出。通過這個(gè)電機(jī)從而將材料卷入筆中進(jìn)行下一步的加熱操作。7.3.4PTC電路板設(shè)計(jì)7.3.4PTC電路板設(shè)計(jì)

PCB板研發(fā)流程

PCB板設(shè)計(jì)將3D打印機(jī)的控制電路裝換為PCB控制板，如下圖所示從而極大地縮小了各個(gè)部位機(jī)器所占的空間。打印筆將3D打印機(jī)的噴頭改裝為陶瓷頭和黑色的加熱筆頭，通過上面部分將材料送入筆頭，用筆頭將材料加熱送入陶瓷頭擠出從而打印出軌跡。將3D打印機(jī)原有的絲杠結(jié)構(gòu)等全部用人手代替，帶動(dòng)著打印筆畫出使用者想要的軌跡。打印筆的馬達(dá)用到6級(jí)齒輪減速和一級(jí)蝸輪蝸桿，6級(jí)齒輪就只起到了減速作用，但那一級(jí)蝸輪蝸桿不僅起到了減速，還起到了直角變位作用，也就將馬達(dá)直線輸出改為直角輸出。通過這個(gè)電機(jī)從而將材料卷入筆中進(jìn)行下一步的加熱操作。整個(gè)3D打印筆主要采用到三種類材料，塑料、陶瓷和鋼材。打印筆的上殼，下殼，以及里面的配件都采用ABS塑膠為材料，使用ABS作為塑料殼原料有諸多好處，例如ABS成本低、打印的塑件強(qiáng)度高、易于配色等優(yōu)點(diǎn)。打印筆的透明顯示保護(hù)屏采用PS塑料，PS的透明度很高，透光率可達(dá)到90%。打印筆噴頭包裹的那部分塑膠應(yīng)采用耐高溫的材料打印，打印完成后進(jìn)行打磨上色裝配等后處理工作，最終的成品展示如下圖所示。7.3.5表面工藝產(chǎn)品處理與打印成品展示思考與練習(xí)1.結(jié)合踝足矯形器應(yīng)用實(shí)例，分析增材制造技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品個(gè)性化定制？2.結(jié)合踝足矯形器應(yīng)用實(shí)例，分析拓?fù)鋬?yōu)化流程和注意事項(xiàng)。3.結(jié)合3D打印筆應(yīng)用實(shí)例，分析總體設(shè)計(jì)構(gòu)思需要考慮哪些因素。3.結(jié)合3D打印筆應(yīng)用實(shí)例，分析proE建模內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)有什么技巧和方法。3.某醫(yī)療器械公司利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)定制化的人工關(guān)節(jié)。請(qǐng)分析該案例中增材制造技術(shù)的應(yīng)用過程、優(yōu)勢(shì)以及可能面臨的挑戰(zhàn)。5.研究一個(gè)涉及增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的案例（例如噴嘴、機(jī)翼等），探討其在輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的應(yīng)用效果。拓展閱讀一、書籍拓展閱讀：1.王華明.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.2.史玉升.增材制造技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2022.3.李滌塵，連芩，盧秉恒.陶瓷光固化增材制造技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.20214.楊永強(qiáng)，王迪.激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2019.5.楊永強(qiáng)《3D打印技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例》6.胡迪·利普森（HodLipson）和梅爾芭·庫曼（MelbaKurman）《3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實(shí)》7.吉奧夫·圖克（GeoffTock）《3D打?。杭夹g(shù)、應(yīng)用與市場(chǎng)》8.張靖《3D打印實(shí)戰(zhàn)寶典》9.王廣春《3D打印技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例》10.徐旺《3D打?。簭钠矫娴搅Ⅲw》課程結(jié)束，細(xì)心體會(huì)，終有收獲第8章4D打印與增材制造的未來增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents218.2增材制造的未來8.14D打印技術(shù)8.14D打印技術(shù)8.1.14D打印技術(shù)概述4D打印技術(shù)是在3D打印的基礎(chǔ)上引入時(shí)間維度，在一定外界刺激的作用下，4D打印智能材料的形狀、結(jié)構(gòu)和功能隨著時(shí)間的推移而不斷變化。如下圖所示，增材制造目前多指3D打印(三維幾何空間：X+Y+Z)，未來增材制造還會(huì)包括4D打印(3D打印十時(shí)間)、5D打印(4D打印十生命)、6D打印(5D打印十意識(shí))等。3D打印可成形任意復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)/功能構(gòu)件；4D打印最終形成可控的智能構(gòu)件；5D打印可成形可控的生命器官；6D打印可成形可控的智慧物體。4D打印技術(shù)的概念最初是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Tibbits教授在2013年的TED大會(huì)上提出的。4D打印過程通過對(duì)觸發(fā)器做出反應(yīng)的智能材料，水、熱、光和電流是常見的觸發(fā)因素。近10年來，“4D打印”概念的提出引起了社會(huì)和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。美國(guó)在4D打印技術(shù)的研究上處于領(lǐng)先，中國(guó)緊隨其后，但中國(guó)的高水平論文發(fā)表數(shù)量大約只有美國(guó)的一半，所以在未來一段時(shí)內(nèi)4D打印技術(shù)將成為增材制造技術(shù)方向的研究熱點(diǎn)。目前研究4D打印的工藝以現(xiàn)有常見的3D打印工藝為主，主要有熔融沉積成形（FDM）、光固化成形（SLA）、墨水直寫（directinkwriting，DIW）、噴墨打?。╥nkjet）、數(shù)字光處理（digitallightprocessing，DLP）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）和激光選區(qū)熔化（SLM）。8.1.14D打印技術(shù)概述4D打印材料按屬性不同，可分為聚合物、形狀記憶合金和陶瓷材料。比如，自動(dòng)調(diào)溫纖維材料4D打印，如果你曾經(jīng)坐在一架悶熱的飛機(jī)里汗流浹背，你就會(huì)體會(huì)到空客公司研發(fā)的可編程碳纖維的好處了。這項(xiàng)發(fā)明還能維持艙內(nèi)氣壓，使人們可以在飛機(jī)內(nèi)更舒適地呼吸。再比如自動(dòng)變形管道材料4D打印，如下圖所示，洪水來臨時(shí)，大量水涌進(jìn)下水道，管道面臨巨大壓力，甚至可能會(huì)破裂?？删幊坦艿揽梢愿鶕?jù)水流強(qiáng)度調(diào)整管道直徑從而解決這一問題。遇到地震，管道還可以通過編程變彎曲，而不會(huì)破裂。8.1.14D打印技術(shù)概述4D打印通過對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的形狀、性能和功能在時(shí)間和空間維度上能實(shí)現(xiàn)可控變化，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。3D打印技術(shù)要求構(gòu)件的形狀、性能和功能穩(wěn)定，而4D打印技術(shù)要求構(gòu)件形狀、性能和功能可控變化，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。對(duì)4D打印的深入研究必將推動(dòng)材料、機(jī)械、力學(xué)、信息等學(xué)科的進(jìn)步，為智能材料、非智能材料和智能結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展提供新的契機(jī)。4D打印這種極具顛覆性的新興制造技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域1、航空航天領(lǐng)域4D打印技術(shù)還可用于成形折疊式衛(wèi)星天線。形狀記憶合金(Shapememoryalloy，SMA)是一種具有變形回復(fù)能力的智能金屬材料，常用于4D打印工藝，用來成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的智能構(gòu)件，如右圖所示，這種折疊式的衛(wèi)星天線就是一例典型應(yīng)用。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域利用4D打印技術(shù)成形醫(yī)療支架，在植入前對(duì)其進(jìn)行變形處理，使之體積最小，在植人人體后，通過施加一定的刺激使其恢復(fù)設(shè)定的形狀以發(fā)揮功能，這樣可以最大限度地減小患者的傷口面積。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域美國(guó)喬治·華盛頓大學(xué)的Miao等利用新型可再生大豆油環(huán)氧丙烯酸酯，光固化成形了具有高生物相容性的支架，該支架能夠促進(jìn)髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)，并且能夠在-18℃下維持折疊的形態(tài)，在人體正常體溫（37℃）下恢復(fù)到初始狀態(tài)。（a）3D光固化打印機(jī)打印大豆油環(huán)氧丙烯酸酯材料的制備原理；（b）聚合大豆油環(huán)氧化丙烯酸酯和常規(guī)聚合物的形狀記憶機(jī)制差異示意圖。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域荷蘭特溫特大學(xué)的Hendrikson等利用形狀記憶聚氨酯，4D打印出了不同孔隙結(jié)構(gòu)的支架。該支架在恢復(fù)初始形狀的過程中，會(huì)帶動(dòng)接種在上面的細(xì)胞發(fā)生形態(tài)的改變，進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)，這樣的支架在人體骨、肌肉、心血管等組織再生中具有很大的應(yīng)用潛力。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域4D打印技術(shù)和可編程材料正改變我們的生活。美國(guó)密歇根大學(xué)C.S.莫特兒童醫(yī)院的葛林醫(yī)生針對(duì)“氣管支氣管軟化癥”的嬰兒，研發(fā)出了一種4D打印的呼吸道支撐器，有效避免嬰兒氣管塌陷。這種細(xì)小的支撐器可以保證嬰兒的氣道一直處于擴(kuò)張的狀態(tài)。隨著嬰兒逐漸長(zhǎng)大，這個(gè)支撐器會(huì)不斷擴(kuò)張，直到孩子能夠獨(dú)立呼吸，最終被人體降解吸收。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域3、汽車領(lǐng)域在汽車領(lǐng)域，智能自修復(fù)材料可以大顯身手。汽車憑借智能材料，可以“記住”自身原來的形狀，甚至可以在汽車發(fā)生事故后實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”的功能，還可以改變汽車的外觀和顏色。4D打印構(gòu)件組成的汽車會(huì)具有可變的外形，比如可調(diào)節(jié)的天窗和擾流板，汽車可以根據(jù)氣流改進(jìn)其空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，提升操縱性能。豐田公司采用TiNi基形狀記憶合金成形的散熱器面量活門，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度低于形狀記憶合金的響應(yīng)溫度時(shí)，形狀記憶合金彈處于壓縮狀態(tài)，則活門關(guān)閉：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高至響應(yīng)溫度以上時(shí)彈簧則為伸長(zhǎng)狀態(tài)，從而活門打開，冷空氣可以進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域4、柔性機(jī)器人領(lǐng)域8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域4、柔性機(jī)器人領(lǐng)域柔性機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的由電機(jī)、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等組成的機(jī)器人來說更加輕便靈活，可以根據(jù)實(shí)際需要改變自身的尺寸和形狀，可用于更加復(fù)雜的作業(yè)中使其具有更高的安全性和環(huán)境相容性，因此柔性機(jī)器人有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和前景。新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的Ge等通過多重形狀記憶聚合物4D打印成形出了多種仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)，在熱驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手可成功實(shí)現(xiàn)螺絲釘?shù)淖ト『歪尫?，他們利用形狀記憶聚合物纖維和彈性基體4D打印成形出了熱驅(qū)動(dòng)的折紙結(jié)構(gòu)，聚合物纖維在一定的溫度范圍內(nèi)具有形狀記憶效應(yīng)，受熱刺激帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊，該研究成果對(duì)于4D打印自組裝系統(tǒng)具有重要的意義。西班牙薩拉戈薩大學(xué)的López-Valdeolivas等利用液晶彈性體4D打印成形出了熱驅(qū)動(dòng)的具有軟體機(jī)器人功能的驅(qū)動(dòng)器，能夠在溫度刺激下進(jìn)行快速響應(yīng)，相對(duì)于常規(guī)的薄片形液晶彈性體驅(qū)動(dòng)力更大，形狀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域8.2增材制造的未來增材制造具有豐富的科學(xué)和技術(shù)內(nèi)涵，涉及機(jī)械、材料、計(jì)算、自動(dòng)化控制和其他先進(jìn)技術(shù)。由于其設(shè)計(jì)自由、快速成型、浪費(fèi)少以及能夠制造具有獨(dú)特性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車、核能和建筑行業(yè)帶來了革命性的應(yīng)用。作為"中國(guó)制造2025"和"中國(guó)十四五規(guī)劃"等中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略中關(guān)鍵的工業(yè)技術(shù)，增材制將極大地促進(jìn)和引領(lǐng)中國(guó)智能制造的升級(jí)和發(fā)展。增材制造技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)是釋放了材料選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由，可以實(shí)現(xiàn)形狀可控和性能定制。增材制造技術(shù)通過建立從材料到最終應(yīng)用的數(shù)據(jù)流，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造過程的數(shù)字化。大多數(shù)處于不同狀態(tài)的工程材料都可以作為原材料在增材制造工藝中使用，其中甚至可以通過原材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)和制備新的特性和性能。從微觀尺度到中觀和宏觀尺度，增材制造技術(shù)為具有不同功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造帶來了重大機(jī)遇，特別是在復(fù)雜的曲面、分層晶格和薄壁/空心結(jié)構(gòu)方面。8.2.1增材制造未來技術(shù)研究路線2022年2月18日，《ChineseJournelofMechanicalEngineering：additiveMangacturingFrontiers》的首篇論文《RoadmapforAdditiveManufacturing：towardIntellectualizationandIndustrialization》，在ScienceDirect上線，14位中國(guó)增材制造專家西安交通大學(xué)李滌塵、田小永教授團(tuán)隊(duì)；南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)；西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授團(tuán)隊(duì)；清華大學(xué)林峰教授團(tuán)隊(duì)；華中科技大學(xué)宋波教授團(tuán)隊(duì)對(duì)增材制造的設(shè)計(jì)方法、材料、工藝和設(shè)備、智能結(jié)構(gòu)以及在極端規(guī)模和環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的綜述，描述了未來5~10年的技術(shù)研究路線圖。技術(shù)路線圖從增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、打印材料和設(shè)備工藝為基礎(chǔ)，向智能結(jié)構(gòu)，極端制造和活體打印應(yīng)用領(lǐng)域延伸，逐漸形成了數(shù)字化到智能化，創(chuàng)新概念到工業(yè)量產(chǎn)的過程。8.2.1增材制造未來技術(shù)研究路線1、設(shè)計(jì)方法論增材制造實(shí)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)和制造自由。為增材制造而設(shè)計(jì)已經(jīng)成為跨學(xué)科研究的新興領(lǐng)域。一種被稱為拓?fù)鋬?yōu)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法被用來生成創(chuàng)新3D打印結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出可調(diào)整的剛度、分層特征和出色的輕質(zhì)性能，通過拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行的部件整合。此外，多學(xué)科優(yōu)化在最近得到了解決，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要滿足多個(gè)目標(biāo)并滿足相關(guān)的約束條件，如復(fù)雜的負(fù)載條件、高耐熱性、有限的應(yīng)力和位移等。8.2.2增材制造的未來探索方向在未來，3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)方法論有望在以下方面突破：（1）結(jié)構(gòu)、多目標(biāo)和多學(xué)科的拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化需要考慮寬頻振動(dòng)、循環(huán)載荷下的材料疲勞極端高溫和強(qiáng)輻射等極端載荷條件。需要實(shí)施外部載荷的多物理模擬，以增強(qiáng)和拓寬綜合優(yōu)化的視野。所設(shè)計(jì)的部件保持必要的機(jī)械性能，并具有其他功能，例如光學(xué)、電磁、熱性能等。引入多物理驅(qū)動(dòng)的體積設(shè)計(jì)，將多尺度特征和多類型材料進(jìn)行數(shù)字化整合實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能融合。（2）知識(shí)庫驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。這是智能設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，知識(shí)庫包括材料數(shù)據(jù)庫、功能晶格單元庫、工藝參數(shù)組合、以及它們之間的相互影響關(guān)系。這些信息可以通過多物理過程模擬、人工智能以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立。（3）以成本為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)。收集設(shè)計(jì)、制造和服役期間的真實(shí)數(shù)據(jù)流，支撐面向成本的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的迭代過程在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行將顯著降低開發(fā)成本和時(shí)間消耗。（4）自動(dòng)化超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過模塊化設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)造具有期望性能的超材料。8.2.2增材制造的未來探索方向2、3D打印材料電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)材料通常由電活性聚合物驅(qū)動(dòng)，如圖8-12所示，介電彈性體致動(dòng)器（DEA）和電活性水凝膠（EAH），因?yàn)樗鼈兙哂邢喈?dāng)大的應(yīng)變能力和能量密度。電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)材料通常通過分層或纏繞的方式將電致伸縮材料和非電活性材料結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)彎曲和扭曲等基本動(dòng)作，復(fù)雜的動(dòng)作可以通過多個(gè)基本動(dòng)作的組合來實(shí)現(xiàn)。8.2.2增材制造的未來探索方向在未來，3D打印材料有望在以下方面突破：（1）材料設(shè)計(jì)理論。通過材料基因組建立專業(yè)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化選材。通過建立成分工藝、微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以根據(jù)材料的性能設(shè)計(jì)出滿足要求的微觀結(jié)構(gòu)。（2）對(duì)于以目標(biāo)為導(dǎo)向的材料多層次、多因素設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，要實(shí)現(xiàn)面向材料的增韌設(shè)計(jì)；對(duì)于智能材料，如形狀記憶聚合物和合金，有必要實(shí)現(xiàn)可控的變形恢復(fù)設(shè)計(jì)。（3）智能復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的先進(jìn)制造技術(shù)將為實(shí)現(xiàn)跨尺度智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供有力的工具。8.2.2增材制造的未來探索方向3、工藝與設(shè)備：工藝與設(shè)備未來行動(dòng)項(xiàng)如圖所示：8.2.2增材制造的未來探索方向在未來，3D打印技術(shù)工藝與設(shè)備有望在以下方面突破：（1）開發(fā)多機(jī)器人協(xié)作下的混合增材制造解決方案。以敏捷制造為核心的混合制造結(jié)合了各種加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在多材料、多結(jié)構(gòu)和多功能制造方面顯示出良好的前景（2）提高監(jiān)控和傳感設(shè)備的功能和集成度。調(diào)幅過程中的信號(hào)處理涉及視覺、光譜、聲學(xué)和熱學(xué)。多功能單一裝置將顯著提高監(jiān)測(cè)和傳感裝置在工業(yè)中的普及性；同時(shí)，通過與數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件的耦合，將提高物理建模、過程優(yōu)化和閉環(huán)控制中的數(shù)據(jù)可用性。（3）將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合成增材制造數(shù)字孿生。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以解決數(shù)字孿生的核心問題——模型和數(shù)據(jù)，從而通過云平臺(tái)共享和分析數(shù)據(jù)和模型。（4）完善增材數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)。集成先進(jìn)設(shè)備或技術(shù)，如過程監(jiān)控、信息感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、數(shù)據(jù)庫等。8.2.2增材制造的未來探索方向4、極端尺度和極端環(huán)境極端尺度：增材制造的發(fā)展主要從兩個(gè)極端尺度，一個(gè)是微/納米尺度，即實(shí)現(xiàn)微米和納米尺寸的精細(xì)3D打??；另一個(gè)是宏觀尺度，即實(shí)現(xiàn)大尺寸和高速3D打印。在航空航天領(lǐng)域，繼打印中國(guó)首架國(guó)產(chǎn)C919飛機(jī)的主風(fēng)擋窗框和中央法蘭盤等大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件之后，中國(guó)又成功打印了世界上第一個(gè)重型運(yùn)載火箭上10米級(jí)別的高強(qiáng)度鋁合金連接環(huán)。這些突破克服了大尺寸結(jié)構(gòu)在打印過程中的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力控制問題，為中國(guó)航天工程的快速發(fā)展提供了技術(shù)支持。極端環(huán)境：如極端溫度和壓力、強(qiáng)輻射和微重力。2020年，NASA完成了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行了點(diǎn)火測(cè)試，證明了雙金屬燃燒室在惡劣溫度和壓力下的多功能性和生存能力。自2014年國(guó)際空間站配備3D打印設(shè)備后，中國(guó)也在2020年成功完成了首次微重力空間的3D打印測(cè)試。這個(gè)世界上第一個(gè)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的在軌3D打印測(cè)試使研究人員能夠檢查材料的成型過程，更好地說明微重力對(duì)相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)機(jī)制的影響。3D打印不僅有助于國(guó)際空間站上現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)設(shè)施，而且使長(zhǎng)時(shí)間的航天飛行、太空探索和殖民化更加方便和可持續(xù)。微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等極端環(huán)境條件對(duì)利用月球或火星雷石進(jìn)行原位打印有很大影響。8.2.2增材制造的未來探索方向4、極端尺度和極端環(huán)境極端尺度和極端環(huán)境：水相環(huán)境雙光子微納3D打印8.2.2增材制造的未來探索方向在未來，極端尺度下的3D打印技術(shù)有望在以下方面突破：（1）微/納米尺度。以雙光子聚合為代表的微納米尺度3D打印，由于克服了照明的光學(xué)極限，能夠以亞波長(zhǎng)空間分辨率打印納米結(jié)構(gòu)，打印精度小于100納米。這種高精度的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)極大地拓寬了其在超材料和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。（2）宏觀尺度。實(shí)現(xiàn)任意形狀大型結(jié)構(gòu)體的全自動(dòng)化、無人化建造，同時(shí)打印內(nèi)部多功能組件和電線，以實(shí)現(xiàn)集成制造。大尺度3D打印有潛力用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制造，如建筑物、火箭甚至太空基地。在未來，極端環(huán)境下的3D打印技術(shù)有望在以下方面突破。（1）極端溫度和壓力、強(qiáng)輻射、微重力等極端環(huán)境。如微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等極端環(huán)境條件下的月球或火星原位打印。（2）開發(fā)相關(guān)的太空機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)。為了適應(yīng)這種極端環(huán)境，需要開發(fā)優(yōu)良的抗輻射和耐熱電子器件和結(jié)構(gòu)材料，多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合可能是未來無人系統(tǒng)探索的關(guān)鍵技術(shù)?？臻g敏捷制造需要控制系統(tǒng)“觀察-定位-決策-行動(dòng)”的獨(dú)特循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)制造過程的自適應(yīng)控制和監(jiān)控。（3）加速3D打印的數(shù)字化。利用數(shù)字孿生技術(shù)高效設(shè)計(jì)3D打印新產(chǎn)品，針對(duì)極端使用場(chǎng)景和環(huán)境的生產(chǎn)規(guī)劃。8.2.2增材制造的未來探索方向5、智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)又稱機(jī)敏結(jié)構(gòu)（Smart/IntelligentMaterialandStructure），如圖8-15所示，在外界環(huán)境刺激下，如電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度、光、pH值等，智能材料結(jié)構(gòu)可將傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身，能夠完成相應(yīng)的反應(yīng)，智能材料結(jié)構(gòu)具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)型和環(huán)境適應(yīng)性。8.2.2增材制造的未來探索方向在未來，智能結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)有望在以下方面突破。（1）融合不同的物理場(chǎng)和n維（nd）打印。用于復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)，基于傳感和驅(qū)動(dòng)能力的有效組合對(duì)刺激做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（2）更多獨(dú)特功能的材料。如可編程材料（ProgrammableMaterial）是指物體能夠通過程序化的方式進(jìn)行變化（包括形狀、密度、模量、電導(dǎo)率、顏色等）。4D打印實(shí)際上使物質(zhì)的“可編程”成為現(xiàn)實(shí)，即通過設(shè)計(jì)理念階段對(duì)產(chǎn)物預(yù)編程，從而