桑迪亚国家实验室以一种新的方式研究3D打印望远镜

近日，一个桑迪亚国家实验室的团队通过熟悉的3D打印建立了一个望远镜，演示如何通过增材技术设计制造产品，以本次设计显示该技术的长处和短处。在桑迪亚为期三年的实验室开发和研究项目中证明了把增材技术制造作为一种全新的设计工具的可行性，Ted Winrow 领导该实验项目，其中从手绘到电脑辅助设计到加工零件的标准技术与传统方案是截然不同的。

该项目的目的是如何将精度较低的3D打印零件和精密工具放在一起，而不是将精力放在打印精密零件上，总之利用增材制造技术进行快速设计和制造低精度产品部件。

Winrow说：“与传统设计相比有细微区别，你必须设计不同的方案，并且该方案还没有插入标准的设计过程。”他说：“在传统制造的望远镜的三分之一时间内，该团队制造了一个重量更轻，价格更便宜的地面望远镜，其成本约为传统制造成本的五分之一，他们使用3D打印元件和模块化设计，并为望远镜光学设计提供图像校正算法，这些统统有利于节省资金。”

该技术从重复性成本中节约资金，Winrow补充道：“产品部件的每一个部分都必须精确，其生产费用不是一次性的（每件产品需通过机械加工），这样你只需购买一套你可以使用10年的工具，所以当你进行生产时，你可以节省成本。同时您也节省了时间，因为您不需要等待每件产品通过机械加工。”

精确的公差与精确装配

有两种方法可以构建任何精密结构：将每件材料制成精确的公差，以便装配的简单化，或着制作粗糙的零件，并使用非常精确的装配工艺来弥补尺寸的不足。

机械加工可以制造出尺寸极其精确的零件，但它不能便宜地制造出产品或着这些产品是在某些情况下是功能和重量方面具有优势的复杂3-D打印产品。增材制造技术可以形成材料聚合物、陶瓷或金属，同时它也能创建一个零件。现在正在研究该技术如何影响材料的特性以及特性变化是否在特定用途中起作用。

由Sandia国家实验室团队使用增材制造技术创建望远镜的详细视图。 来自：桑迪亚国家实验室

Winrow说：“我们可以设计一个不关心你的材料是否不如你预期的那么好？不关心你的零件不是尺寸精确的系统吗？如果你让该系统对增材制造精度不敏感，那么你就会充分利用增彩制造技术的所有优点。”

例如，标准相机有一个凸缘，它必须非常精确，因为该凸缘的位置确定了镜头所在的位置。桑迪亚的项目，创造了一个与望远镜镜头一起工作的没有窗台的直筒。然而Winrow说：“我们使用非常精密的工具将镜头保持在非常精确的位置。 我们将镜头放在正确的位置，然后在其周围注入环氧树脂并将其固定到位，由于过程中的环氧树脂帮助固定镜头位置，我们可以制造尺寸不太精确的零件。 但这个整体是精确。”

桑迪亚申请专利，设计望远镜镜架的一部分，整体钛制曲面。弯曲是指像刚性体之间的接头一样使用的广泛的元件。连接、线性或旋转运动，是通过弯曲元件产生的。将金属刚性件安装到玻璃上不起作用，因为这两种材料随着温度的变化以不同的速率膨胀和收缩，并且玻璃可能变形甚至破裂。

尽管它看起来不像螺旋弹簧，但弯曲的作用就像弹簧一样。桑迪亚的设计大致为圆柱形，长约2英寸，直径为0.75英寸，弯曲叶片非常薄。三个弯曲安装座用环氧树脂固定在反射镜上，缓解反射镜与碳纤维主干连接处的膨胀和收缩应力。

  

使用增材制造技术，桑迪亚国家实验室团队使用望远镜拍摄的原始图像，软件校正得到清晰，清晰的图像。 来自：桑迪亚国家实验室

Sandia为项目期间设计的部件寻求专利

精密机械设计团队邀请Sandia光学设计师Jeff Hunt、算法大家Dennis Lee和Eric Shields一起工作。Winrow表示，镜头设计会产生扭曲和其他错误的原始图像。软件算法比其他算法更好地修正这种类型的错误，因此镜头设计中的错误是算法擅长纠正的类型。

Winrow说：“这个想法是你可能没有那么精确的光学系统，并且图像基本上是在事实之后用软件进行校正的。这与我们设计机械硬件对增材制造缺陷不敏感系统并利用其优点相似，Jeff对系统的光学部件进行了优化，使软件保持了算法无法完成的图像属性。现在您花费传统光学系统三分之一的钱，但你可以获得与传统光学相同的性能。”

他说，该项目已经结束，但桑迪亚结构设计师现在正在使用从该项目得到的信息。

Winrow总结道：“这就是该项目所展示增材制造如何使其更快，更便宜的形成产品，如果事实上就你可以放弃的东西你可以通过其他方案进行弥补，它（该思想）会在设计方面开辟领域。”

来源：材料科技在线