3D打印中的結構設計
點擊量：499 發布時間：2017-01-23 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增（zēng）材（cái）製造（zào）技術有限公（gōng）司
3D打印有很多優點，能夠生產出超常規理念的複雜（zá）結構（gòu）零件是（shì）他的最大（dà）特點（diǎn），可以使零（líng）件在保證其強度的前提（tí）下大幅度減少材料的應用（yòng）和減輕零（líng）件的重量。零件結構設計在發揮3D打印優點起著舉足輕重的（de）作（zuò）用，這需要我們打破傳統設計理念，充（chōng）分發揮想象力和創造力。本文結合現有（yǒu）的資料報道和業內一些工程師的經驗為您推薦幾種3D打印零件（jiàn）設計理念。
一．以輕量化為目的（de）
輕量化的設計要求就需要零件在結構上（shàng）進行拓撲優化。拓撲結構優化優點在於在減少材料用量的同時仍可滿足（zú）零件輕量化設計要（yào）求。3D打印是（shì）拓撲優化複雜結構設計方（fāng）案最便捷的製備方法。這在航空航天領域具有重要意義，可以顯著降低（dī）飛機或飛行器重（chóng）量。以減速板支架（jià）為例(圖1)，傳（chuán）統（tǒng）技術製造的鈦（tài）合（hé）金支架重量達430.3g，通過結（jié）構優化設計後（hòu）重量減輕（qīng）22%。
目前常采（cǎi）用的輕量化結構有以下幾種：
●桁架（jià）/剛架結（jié）構（gòu）
剛架結（jié）構是由一些細杆（gǎn）通過（guò）一些節點相連而成（chéng）。能（néng）在節省材料、實現打印要求的同（tóng）時，滿足所需的物（wù）理強度、受力穩（wěn）定性、自平衡（héng）性的要求。
圖2為Eurostar E3000通訊衛星上傳統支架結構與（yǔ）優化後的桁架結構。桁架結構是由Al合金經3D打印一體化（huà）製造成的，整體重量較傳統製造的減輕35%，而剛性增加40%。另外還有根據桁架結（jié）構衍生的蒙皮-剛架結構即為外表麵是薄壁結構內部為鉸接的杆件。這種結構運用在3D打印技術中可以體現為薄壁加鉸（jiǎo）接支撐杆件的形（xíng）式。
●點陣夾芯結構
點陣夾芯結構在減重過程的特點在於優化結構的同時亦能保證（zhèng）材料（liào）足夠的強度。在航空航天工業中, 點陣夾芯結構常被用（yòng）於製作各種壁板,航空航天領域中可用（yòng）於（yú）翼麵、艙麵、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛星星體外殼（ké）等製備。圖3為一種點陣夾芯結構的減（jiǎn）震梁。
點陣結構在減重的同時，也可起（qǐ）到其他特（tè）殊作用。
例如圖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（fèn）離，這種網（wǎng）格結構孔隙率高達95%，致密度降低到0.5g/cm2使得（dé）油氣混合物經過時，小油滴被（bèi）吸附於分離器內。Rolls-Royce公司使用這種結構實現了油氣（qì）分離效率高達99%。
這種結構在製（zhì）造（zào）過（guò）程中問題在於未熔融（róng）的金屬粉末黏附在框架上難去除。
●中空結構
中空結構為外殼（ké）為（wéi）薄壁內中空或內部添加（jiā）簡單支柱結構。這種結構缺點在於需要內部支撐，且支撐難去除或無法去除。
二．以生物相容性為目的
醫學植入體中的多孔及胞格結構需要采用利於骨骼生長和細胞（bāo）遷移的（de）貫通式開孔結構。同時也（yě）為了避免（miǎn）由於金屬高的彈性模（mó）量造成的“應力屏蔽”現象，保證植入體的力（lì）學性能與真實骨結構相匹配。就需要采（cǎi）用3D打印特有的多孔結構/胞格結構設計製造，根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙（xì）率進行設計後完成打印過程。
●多（duō）孔結（jié）構/胞格結構（gòu）
“粉床熔融技術在醫療植入體製造（zào）中的應用”一（yī）文中介紹了四種（zhǒng）多孔結構/胞格結構單元，其構造與為（wéi）實現輕量化要求的點陣夾（jiá）芯結構類似。但是目的不（bú）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（de）生物相容（róng）性。以圖6中（zhōng）Arcam公司EBM技術（shù）製造髖臼杯為例。經過生物體實驗證明，這種結構植（zhí）入體有較好的生物相容性，孔結構內有大量的骨組織長入。
三．其他複雜結構
●空間異型管道結構
空間異型管道傳統的製造工藝為注塑成型、鑄造等方（fāng）式，傳統工藝除去高的製造成本和長的生（shēng）產周期外（wài），對於管道需要的複雜樣條曲線一次很難製備成功。隨（suí）型冷卻技（jì）術將模具製造（zào）與3D打印（yìn）相結合來解決空（kōng）間管道複雜形狀成型的方式。
圖7為Linear公司利用隨型冷卻技（jì）術製備的空間異型管（guǎn）道結構。
●一體化（huà）複雜結構
一體化複雜結構（gòu）又分（fèn）為靜態（tài）機（jī）構和動態機構（gòu）。其中靜態（tài）機（jī）構設計（jì）中最有名的當屬GE的噴油嘴。動態一體化機構特點在於免組（zǔ）裝、可實現動態聯接，傳統機（jī）械構件都需要分步（bù）打印各單件然後將單件裝配起來。而3D打印可節省裝配步驟，直接得到免組裝的整體（tǐ）機構。典型代表——萬向節，如圖8所（suǒ）示。
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。
在航空航天領域的複（fù）雜結構還包括發動機或導彈用小型發動機整體葉（yè）盤、增（zēng）壓渦輪、支（zhī）座、吊耳、起落架（jià）等結構（gòu）。
●空間自由曲麵結構
自由曲麵結構是采用傳統方法很難或（huò）者無法加工的。
例如發動機葉片是這種薄壁複雜自由曲麵的典型代表，如圖10所示。傳統的鑄造方法和（hé）數控加工（gōng）技術製備的葉片，分別存在表麵質（zhì）量差、加工效率低的缺點（diǎn）。增材製造（zào）技術為製造出幾何精（jīng）度（dù）高（gāo）、表（biǎo）麵質量好的（de）葉片提供了技術（shù）條件。另外還可將點陣夾芯結構與自由曲麵結構相結合，實現複雜曲麵輕量化目的。
以及與此類似的空間自由曲麵多孔（kǒng）結構，例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒室。
