3D打印（yìn）中的結構設計
點擊量：436 發布時間：2017-01-17 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製造技術有限公司
3D打印有很多優點，能夠生產出超（chāo）常規理念的複雜結構零件是他的最大特點（diǎn），可以（yǐ）使零件在保證其強度的前提下大幅度減少材料的應用和減輕零件的重量。零件結構設計在發揮3D打印優點起著舉足輕（qīng）重的作用，這需要我們打破傳統設計（jì）理念，充分發揮想象力和創造（zào）力。本文結合現有的資料報道和（hé）業內一些工程師的經驗為您推薦（jiàn）幾種3D打印零件設計理念。
一．以輕量化為目的
輕量（liàng）化的設計（jì）要求就需要零件在結（jié）構上進行拓（tuò）撲優化。拓撲結構優化優點在於在（zài）減少材料用量的（de）同時仍（réng）可滿足零件輕量化設計（jì）要求。3D打印是（shì）拓撲（pū）優化（huà）複雜結構設計方案（àn）最（zuì）便捷（jié）的製備方法。這在航空（kōng）航天領域具有重要（yào）意義，可以顯著（zhe）降（jiàng）低飛機或飛行器重量。以（yǐ）減速板支架為例(圖1)，傳統技術製造（zào）的鈦合金支架重量達430.3g，通過結構優化設計後重（chóng）量減輕22%。
目前常采用的輕量化結構有以下（xià）幾種：
●桁架/剛架結（jié）構
剛架結構是由（yóu）一些細杆通過一些節點相連而成。能在節省材料、實現打印要求的同時，滿足所需的物理強度、受力穩定性（xìng）、自平衡性的要（yào）求。
圖2為Eurostar E3000通訊衛星上傳統支架結（jié）構與優化後的桁架結構（gòu）。桁架結構是由Al合（hé）金經3D打印一體化製造成的，整體重量較傳統製造（zào）的減輕（qīng）35%，而剛性增加40%。
圖2
另外還有根據桁架結構衍生（shēng）的蒙皮-剛架結構即為外表麵是（shì）薄壁（bì）結構內部為（wéi）鉸接的杆件。這種結構運用在3D打印技術中可以體（tǐ）現（xiàn）為薄壁加（jiā）鉸接（jiē）支撐杆件的形式。
●點（diǎn）陣夾芯結構
點陣夾芯結構在減重過程（chéng）的特點在於優化結構的同時亦能保（bǎo）證材料足夠的強度。在航空航天工業中, 點陣夾芯結構常被用於製作各種壁板,航空航（háng）天領域中可用於翼麵、艙麵、艙蓋、地板、消音板、隔熱（rè）板、衛星星（xīng）體外殼等製備。圖3為（wéi）一種點陣夾芯結構的減震梁。
圖3
點陣結構在減重的同時，也可起到其他特殊作用。
例如圖（tú）4所示，航空發動機潤油係統的材料為Ti-6Al-4V油氣分離器。其工作原理為將回油中的氣體分離，這種網格結（jié）構孔隙率高達95%，致密度降低到0.5g/cm2使得油氣混合物經過（guò）時，小油滴被（bèi）吸附於（yú）分離器（qì）內。Rolls-Royce公司使用這種（zhǒng）結構實現了油（yóu）氣分（fèn）離效（xiào）率高達99%。
這種（zhǒng）結（jié）構在（zài）製造過程中問（wèn）題在（zài）於未熔融（róng）的金屬粉末黏附在框架上難去除。
圖4
●中空結構
中空結構為外殼為薄壁內中空或（huò）內部添加簡單支柱結構。這種結構缺點在於需要內（nèi）部支撐，且支（zhī）撐難（nán）去除或無法去除。
圖5
二．以生物相容性為目的
醫學植入體中的多孔（kǒng）及胞格（gé）結構需要采用利於骨骼生長和細胞（bāo）遷移的貫通（tōng）式開孔（kǒng）結構（gòu）。同時也為（wéi）了避免由於金屬高的彈性模量造成的“應力屏（píng）蔽（bì）”現象，保證植入體的力學性能（néng）與真實骨結構相匹配。就需要采用3D打印（yìn）特有的多孔結構/胞格結構設計製造，根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔（kǒng）隙率進行設計後完成（chéng）打印過程。
●多孔結構/胞格結構
“粉床（chuáng）熔融技術（shù）在醫療植入體製造中的應用”一文（wén）中介紹了四種多孔結構/胞格結構單元，其構造與（yǔ）為實（shí）現輕量化要求的點（diǎn）陣夾芯結構類似。但是目的不同，其目的在於保（bǎo）證結構單元組成（chéng）的生物植入體具有良好的生物相容性。以圖6中Arcam公司EBM技（jì）術製造髖臼杯為例。經過生物體實驗證明，這種（zhǒng）結（jié）構植入體有較好的生物相容性，孔結構內有大量的骨組織長入。
圖6
三．其他複雜結構
●空（kōng）間異型管道結構
空間異型管道傳統的製造工藝為注（zhù）塑成型、鑄造等方式，傳統工藝除去高的製造成本和長的生產周期外，對於管道需要的複雜樣（yàng）條曲（qǔ）線一次很難（nán）製備成功。隨型冷（lěng）卻技術將模具製造（zào）與（yǔ）3D打印相結（jié）合來解（jiě）決（jué）空間管道複雜形狀成型（xíng）的方式。
圖（tú）7為Linear公司（sī）利用隨型（xíng）冷卻技術製備的空間異型管道結構。
圖7
●一體化複雜結構
一體化複雜結構又分為靜態機構和（hé）動態機構。其中靜態機構設計中最有名的當屬GE的噴油嘴（zuǐ）。動態一體化機構特點（diǎn）在於免組裝、可實現（xiàn）動態聯接，傳（chuán）統機械構件都需（xū）要分步打印各單件然後將單件裝配起來。而3D打印可節省（shěng）裝配步驟，直接得到免組（zǔ）裝的整體機構（gòu）。典型代表——萬向節（jiē），如（rú）圖8所示。
圖8
圖9為寶（bǎo）馬DTM采用SLM技術製備的鋁合金水泵輪。這種一體化高精度的零件適合賽車運動惡劣的環境。
圖（tú）9
在航空航天領域的（de）複雜結構（gòu）還包括發動機（jī）或導彈用小型發動機（jī）整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等結構。
●空間自由曲麵結構
自（zì）由曲（qǔ）麵結（jié）構（gòu）是采用傳統方法很難或者無法加工的。
例如發動機葉片是這（zhè）種薄壁複雜（zá）自由曲麵的典型代表（biǎo），如（rú）圖10所示。傳（chuán）統的（de）鑄（zhù）造方（fāng）法和數（shù）控加工技術製備的葉片，分別存在表麵質量差（chà）、加工效率低的缺點。增材製造技術為製造出（chū）幾何精度高、表麵質量好的葉片提供了技術條件（jiàn）。另外還（hái）可將點陣夾（jiá）芯結構與自由曲麵（miàn）結構相結合（hé），實現複雜曲麵輕量化目的。
圖10
以及（jí）與此（cǐ）類（lèi）似的（de）空間自（zì）由曲麵多孔（kǒng）結構，例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒室。
