桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以一種新的方式研究3D打印望遠(yuǎn)鏡

近日，一個(gè)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)通過熟悉的3D打印建立了一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，演示如何通過增材技術(shù)設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品，以本次設(shè)計(jì)顯示該技術(shù)的長(zhǎng)處和短處。在桑迪亞為期三年的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和研究項(xiàng)目中證明了把增材技術(shù)制造作為一種全新的設(shè)計(jì)工具的可行性，Ted Winrow 領(lǐng)導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中從手繪到電腦輔助設(shè)計(jì)到加工零件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)與傳統(tǒng)方案是截然不同的。

該項(xiàng)目的目的是如何將精度較低的3D打印零件和精密工具放在一起，而不是將精力放在打印精密零件上，總之利用增材制造技術(shù)進(jìn)行快速設(shè)計(jì)和制造低精度產(chǎn)品部件。

Winrow說：“與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比有細(xì)微區(qū)別，你必須設(shè)計(jì)不同的方案，并且該方案還沒有插入標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)過程。”他說：“在傳統(tǒng)制造的望遠(yuǎn)鏡的三分之一時(shí)間內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)重量更輕，價(jià)格更便宜的地面望遠(yuǎn)鏡，其成本約為傳統(tǒng)制造成本的五分之一，他們使用3D打印元件和模塊化設(shè)計(jì)，并為望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)提供圖像校正算法，這些統(tǒng)統(tǒng)有利于節(jié)省資金。”

該技術(shù)從重復(fù)性成本中節(jié)約資金，Winrow補(bǔ)充道：“產(chǎn)品部件的每一個(gè)部分都必須精確，其生產(chǎn)費(fèi)用不是一次性的（每件產(chǎn)品需通過機(jī)械加工），這樣你只需購(gòu)買一套你可以使用10年的工具，所以當(dāng)你進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，你可以節(jié)省成本。同時(shí)您也節(jié)省了時(shí)間，因?yàn)槟�不需要等待每件產(chǎn)品通過機(jī)械加工�！�

精確的公差與精確裝配

有兩種方法可以構(gòu)建任何精密結(jié)構(gòu)：將每件材料制成精確的公差，以便裝配的簡(jiǎn)單化，或著制作粗糙的零件，并使用非常精確的裝配工藝來彌補(bǔ)尺寸的不足。

機(jī)械加工可以制造出尺寸極其精確的零件，但它不能便宜地制造出產(chǎn)品或著這些產(chǎn)品是在某些情況下是功能和重量方面具有優(yōu)勢(shì)的復(fù)雜3-D打印產(chǎn)品。增材制造技術(shù)可以形成材料聚合物、陶瓷或金屬，同時(shí)它也能創(chuàng)建一個(gè)零件�，F(xiàn)在正在研究該技術(shù)如何影響材料的特性以及特性變化是否在特定用途中起作用。

由Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)使用增材制造技術(shù)創(chuàng)建望遠(yuǎn)鏡的詳細(xì)視圖。 來自：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

Winrow說：“我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)不關(guān)心你的材料是否不如你預(yù)期的那么好？不關(guān)心你的零件不是尺寸精確的系統(tǒng)嗎？如果你讓該系統(tǒng)對(duì)增材制造精度不敏感，那么你就會(huì)充分利用增彩制造技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)�！�

例如，標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)有一個(gè)凸緣，它必須非常精確，因?yàn)樵撏咕壍奈恢么_定了鏡頭所在的位置。桑迪亞的項(xiàng)目，創(chuàng)造了一個(gè)與望遠(yuǎn)鏡鏡頭一起工作的沒有窗臺(tái)的直筒。然而Winrow說：“我們使用非常精密的工具將鏡頭保持在非常精確的位置。 我們將鏡頭放在正確的位置，然后在其周圍注入環(huán)氧樹脂并將其固定到位，由于過程中的環(huán)氧樹脂幫助固定鏡頭位置，我們可以制造尺寸不太精確的零件。 但這個(gè)整體是精確。”

桑迪亞申請(qǐng)專利，設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡鏡架的一部分，整體鈦制曲面。彎曲是指像剛性體之間的接頭一樣使用的廣泛的元件。連接、線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是通過彎曲元件產(chǎn)生的。將金屬剛性件安裝到玻璃上不起作用，因?yàn)檫@兩種材料隨著溫度的變化以不同的速率膨脹和收縮，并且玻璃可能變形甚至破裂。

盡管它看起來不像螺旋彈簧，但彎曲的作用就像彈簧一樣。桑迪亞的設(shè)計(jì)大致為圓柱形，長(zhǎng)約2英寸，直徑為0.75英寸，彎曲葉片非常薄。三個(gè)彎曲安裝座用環(huán)氧樹脂固定在反射鏡上，緩解反射鏡與碳纖維主干連接處的膨脹和收縮應(yīng)力。

  

使用增材制造技術(shù)，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)使用望遠(yuǎn)鏡拍攝的原始圖像，軟件校正得到清晰，清晰的圖像。 來自：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

Sandia為項(xiàng)目期間設(shè)計(jì)的部件尋求專利

精密機(jī)械設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)Sandia光學(xué)設(shè)計(jì)師Jeff Hunt、算法大家Dennis Lee和Eric Shields一起工作。Winrow表示，鏡頭設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生扭曲和其他錯(cuò)誤的原始圖像。軟件算法比其他算法更好地修正這種類型的錯(cuò)誤，因此鏡頭設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤是算法擅長(zhǎng)糾正的類型。

Winrow說：“這個(gè)想法是你可能沒有那么精確的光學(xué)系統(tǒng)，并且圖像基本上是在事實(shí)之后用軟件進(jìn)行校正的。這與我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)械硬件對(duì)增材制造缺陷不敏感系統(tǒng)并利用其優(yōu)點(diǎn)相似，Jeff對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)部件進(jìn)行了優(yōu)化，使軟件保持了算法無法完成的圖像屬性�，F(xiàn)在您花費(fèi)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)三分之一的錢，但你可以獲得與傳統(tǒng)光學(xué)相同的性能�！�

他說，該項(xiàng)目已經(jīng)結(jié)束，但桑迪亞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在正在使用從該項(xiàng)目得到的信息。

Winrow總結(jié)道：“這就是該項(xiàng)目所展示增材制造如何使其更快，更便宜的形成產(chǎn)品，如果事實(shí)上就你可以放棄的東西你可以通過其他方案進(jìn)行彌補(bǔ)，它（該思想）會(huì)在設(shè)計(jì)方面開辟領(lǐng)域�！�

來源：材料科技在線