3D打印和堅(jiān)固耐用的單板計(jì)算機(jī)

增材制造，更具體地說是金屬增材制造（或金屬3D打印），正在通過消除傳統(tǒng)工藝固有的一些設(shè)計(jì)限制來改變制造業(yè)。許多行業(yè)都受益于這項(xiàng)技術(shù)，包括國防電子領(lǐng)域，其中晶格結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于單板計(jì)算機(jī)（SBC）組件，以減輕重量，同時保持性能和加固要求。

增材制造過程逐層創(chuàng)建零件，而不是通過計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）操作去除材料。金屬增材制造用于生產(chǎn)關(guān)鍵的航空航天部件，如火箭發(fā)動機(jī)或商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)，在減輕重量方面具有明顯的優(yōu)勢。鋁和鈦等金屬可以高精度和可重復(fù)性打印成復(fù)雜的形狀，如圖1所示。

VITA 48.2 傳導(dǎo)冷卻 SBC 主要組件（帶有連接器和組件的電路卡）夾在主蓋和次蓋之間。蓋子由機(jī)加工鋁制成，通過楔形鎖系統(tǒng)為底盤提供機(jī)械接口，彎曲剛度可避免組件振動疲勞失效，散熱器功能可降低組件工作溫度。由于其巨大的性質(zhì)，初級和次級蓋都是增材制造工藝的完美候選者，主要目標(biāo)是減少質(zhì)量，同時在結(jié)構(gòu)和熱方面保持可比的性能。

晶格結(jié)構(gòu)

這個過程的另一個關(guān)鍵部分是利用大地測量和晶格結(jié)構(gòu)。大地測量或格子結(jié)構(gòu)是一種設(shè)計(jì)類型，它使用許多緊密間隔的對角線桁架元素來提供結(jié)構(gòu)完整性，而不會受到大型結(jié)構(gòu)的重量損失。

巴恩斯·沃利斯爵士在 1930 年代開創(chuàng)了飛機(jī)設(shè)計(jì)中的大地測量結(jié)構(gòu)。維克斯惠靈頓轟炸機(jī)的格子結(jié)構(gòu)可以承受難以置信的傷害而不會斷裂，同時減輕了40%或更多的重量。高裝配成本和復(fù)雜性使得戰(zhàn)時所需的大批量生產(chǎn)不切實(shí)際。

使用當(dāng)前的金屬增材制造工藝，制造晶格結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是一種簡單快捷的過程，可以應(yīng)用于許多不同類型的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，帶來相同的有益剛度/重量比。

［caption id=“” align=“alignnone” width=“450” caption=“Figure 2：圖中是晶格設(shè)計(jì)的示例。

晶格芯設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低蓋子的重量，在我們的例子中重量為2.25磅，同時保持與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和熱性能。為了符合接口要求和 VITA 48.2 約束，該設(shè)計(jì)保留了標(biāo)準(zhǔn)主蓋的所有外部特征，但使用空心/晶格芯，如圖 3 中的橫截面所示。

［caption id=“” align=“alignnone” width=“450” caption=“圖 3：如圖所示為晶格橫截面。

四面體圖案晶格結(jié)構(gòu)使用專有算法TEN TECH LLC定義，旨在均勻分布晶格梁，并允許基于幾何曲率公差或剛度要求的密度變化。選擇面板厚度，為結(jié)構(gòu)提供足夠的支撐和熱質(zhì)量。用于主要部件和螺釘凸臺的散熱器直接穿過萊迪思核心，并在需要時提供剛度和/或熱質(zhì)量。

結(jié)果

通過這種設(shè)計(jì)，我們可以實(shí)現(xiàn)近50%的重量減輕：新的主蓋重1.23磅，減輕了約1磅的重量。與標(biāo)準(zhǔn) VITA 48.2 設(shè)計(jì)相比，我們還看到了 40% 的重量減輕。每個 SBC 減輕 2 磅的重量可以減輕 5 到 20 磅的整體系統(tǒng)重量。此外，第一固有頻率足夠高，以避免與底盤和設(shè)備的動態(tài)耦合，固有頻率與 MIL-STD-810 感興趣的正弦和隨機(jī)振動范圍內(nèi)的 VITA 48.2 蓋板相當(dāng)。我們注意到，盡管溫度濃度略高，但由于通芯突起，晶格蓋能夠充分散熱組件。

第一階段研究的重點(diǎn)是原始晶格設(shè)計(jì)的可行性，并通過仿真證明了這一點(diǎn)。第二階段研究將側(cè)重于開發(fā)和原型設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)和可預(yù)測的產(chǎn)品能夠取代標(biāo)準(zhǔn)的VITA 48.2組件。即使它應(yīng)用于 6U VITA 48.2 主蓋，格子核心設(shè)計(jì)也可以輕松應(yīng)用于 3U 有效載荷甚至底盤下部結(jié)構(gòu)，基本上用更輕的格子設(shè)計(jì)取代了大型機(jī)加工鋁板。

審核編輯：郭婷