3D打印中的結構設計
點擊量：556 發布時間：2017-01-23 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（yìn）有很多優點，能夠生產（chǎn）出超常規（guī）理念的複雜結構零件是（shì）他的最大（dà）特點，可以使零（líng）件在保證其強度的（de）前提下大幅（fú）度減少（shǎo）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重的作用（yòng），這需要我們打破傳統設計理念，充分發揮想（xiǎng）象力和創造力。本（běn）文結合現有的資料報道（dào）和業內一些工程師的經驗為您推（tuī）薦幾種3D打印零件（jiàn）設計（jì）理念。
一．以輕量化為（wéi）目的
輕量化的設計要求就需要（yào）零件在結構上進行拓撲優化。拓撲結構優化優點在於在減少材料用量的同時仍可滿足零件輕量化設計要求。3D打印是拓撲優化複雜結構設計（jì）方案最便（biàn）捷的製備（bèi）方法。這在航空航天領域具有重要意義，可以顯（xiǎn）著降低飛機或（huò）飛行器重量。以減速板支架為例(圖1)，傳統技術製造的鈦合金支架重（chóng）量（liàng）達430.3g，通過結構優化設計後重量減輕（qīng）22%。
目（mù）前常采用的輕量化結構有以下幾種：
●桁架/剛架結構
剛架結構是由一些細（xì）杆通過一些節點相連而（ér）成。能在節省材料（liào）、實現打印要（yào）求的同時（shí），滿足所需的物（wù）理強度、受力穩定性（xìng）、自（zì）平衡性的（de）要求。
圖2為Eurostar E3000通訊衛（wèi）星上傳統（tǒng）支架結構與優化後的桁架結構。桁架結構（gòu）是由Al合金經3D打印一體（tǐ）化製造成（chéng）的，整（zhěng）體重量較傳統（tǒng）製（zhì）造的減輕35%，而剛性增加40%。另外還有根據桁架結構衍生的蒙皮-剛架結構即為外表麵是薄壁結構內部為鉸接的杆件。這（zhè）種（zhǒng）結構運用在3D打印技術中可以（yǐ）體現為薄壁加鉸接支撐杆件的（de）形式。
●點陣夾芯結構（gòu）
點陣夾芯結（jié）構在減重過程的特點在於優化（huà）結（jié）構的同時亦能保證材料足夠的強度。在航空航天工業中, 點（diǎn）陣夾芯（xīn）結構常（cháng）被用於製作各種壁板,航空航天領域（yù）中可用於翼（yì）麵、艙麵、艙蓋、地板（bǎn）、消音板、隔熱板、衛星星體外殼等製備。圖3為一種點陣夾芯（xīn）結構的減（jiǎn）震梁。
點（diǎn）陣結構在（zài）減重的（de）同時，也可（kě）起到其（qí）他特殊作用。
例如（rú）圖4所示，航空發動機潤油係統的材料為Ti-6Al-4V油（yóu）氣分離器。其工作原理為將（jiāng）回油中的（de）氣體分離，這種網格結構孔（kǒng）隙率高達95%，致密度降（jiàng）低到（dào）0.5g/cm2使得油氣混合（hé）物經（jīng）過時，小油滴被吸附於分離器內。Rolls-Royce公司使用這種結構實現了油氣分離效率（lǜ）高達99%。
這種結構在製（zhì）造過程中問題（tí）在於未熔融的金屬粉末黏附在（zài）框架上難去除。
●中空結構
中空（kōng）結構為外殼為薄壁內（nèi）中空或內部添加簡單支（zhī）柱結構。這種結構缺點在（zài）於需要內部支撐，且（qiě）支撐難去除或無法去（qù）除。
二．以生物相容性為目的
醫學植入體中的多孔及（jí）胞格結構需要采用利於骨骼生長和細胞遷移的（de）貫通式開孔結構。同時也（yě）為了避免由於金屬高的彈性模量造成的“應力屏蔽”現象，保證植入體（tǐ）的力學性（xìng）能與真實骨結構相（xiàng）匹配（pèi）。就需（xū）要采用3D打印特有的多孔結（jié）構/胞格結構設計（jì）製造（zào），根據需要對孔的類型、孔（kǒng）徑尺寸、孔壁厚度（dù）及孔隙率進行（háng）設計後完成打印過程。
●多孔結構/胞格結（jié）構
“粉床熔融技術在醫療植入體製造（zào）中的應用”一文中介紹了四種多孔結構/胞格結構單元，其構造與為實現輕量化要求的（de）點（diǎn）陣夾芯結構類似。但是目（mù）的不同，其目的在（zài）於保證結構單元組（zǔ）成的生物植（zhí）入體（tǐ）具有良好的生物相容（róng）性（xìng）。以圖（tú）6中Arcam公司EBM技術製（zhì）造髖臼杯為例。經過生物體實驗證明，這種結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。
三．其他（tā）複雜結構
●空間異型管道結構
空（kōng）間異型管道（dào）傳統的製造工藝為注塑成型、鑄（zhù）造等方式，傳統工藝除去高的（de）製（zhì）造成本和長的生產（chǎn）周期外，對於管道（dào）需要（yào）的複雜樣（yàng）條曲（qǔ）線一次很難製備成功。隨（suí）型冷（lěng）卻技術將（jiāng）模具製造與3D打印相結合（hé）來解決（jué）空間（jiān）管道複雜形狀成型的方式。
圖7為Linear公司利用隨型冷卻（què）技術製備的空間異型管道結構。
●一體化複雜結構
一體化複雜結構又（yòu）分為靜態機（jī）構和動態機構。其中靜態機構設計中最有（yǒu）名的當屬GE的噴油嘴。動態（tài）一體化機構特點在於免組裝、可實現動態聯接，傳統（tǒng）機械構（gòu）件都需（xū）要分步打印各單件然後將單件裝（zhuāng）配起來。而3D打（dǎ）印可（kě）節省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機構。典型（xíng）代表——萬（wàn）向節，如圖8所（suǒ）示。
寶馬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（sài）車（chē）運（yùn）動惡劣的環境。
在（zài）航（háng）空航（háng）天領域的複雜結構還包括發動機或導彈用小型發動機（jī）整體葉盤、增壓渦（wō）輪、支座（zuò）、吊耳、起落架等結構。
●空間（jiān）自由（yóu）曲麵結構（gòu）
自由曲麵結構是采用傳統方法很難（nán）或者無法（fǎ）加工的（de）。
例如發動機葉（yè）片是（shì）這種薄壁複雜自由曲麵的典（diǎn）型代表，如圖10所示。傳統的鑄造方法和數控加工技術製備的葉片，分別存在表麵質量差、加工效率低的缺點。增材製造技術為製造出幾（jǐ）何精度高、表麵質量好（hǎo）的葉片提供（gòng）了技術條件。另外還可（kě）將點陣夾芯結構與自由曲麵結構相（xiàng）結合，實現複雜曲麵輕量化目的（de）。
以（yǐ）及與此類似（sì）的空間自由曲麵多孔結構，例（lì）如Fig.11，一種薄壁管狀（zhuàng）燃燒室。
