3D打印中的結構設計
點擊量：601 發布時間：2017-01-17 作者：快猫视频APP下载安装（上（shàng）海）增材製造技術有限公司（sī）
3D打印有很多優點，能夠生產出超常規理念的複雜結構零件（jiàn）是他的最大特點，可以使（shǐ）零件在保（bǎo）證（zhèng）其強度的前提下（xià）大幅（fú）度減少材料（liào）的應用和（hé）減輕零件的（de）重量。零件結構設（shè）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理念，充分發揮想象（xiàng）力和創造（zào）力。本（běn）文結合（hé）現有的資料（liào）報道和業（yè）內一些工程師的經驗為您推薦幾種3D打印零件設計理念。
一．以輕量化為目的
輕量化（huà）的設計要求就需（xū）要零（líng）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（pū）優化複雜結構設計方案最便捷的製（zhì）備方法。這（zhè）在航空航天（tiān）領（lǐng）域具有重要（yào）意義，可以顯著降低飛機或飛行器重量。以減速板支架為例(圖1)，傳統（tǒng）技術製造的鈦合金支（zhī）架重量達430.3g，通（tōng）過結構優化設計後重量減輕22%。
目前常采用的輕（qīng）量化結構有（yǒu）以下幾種：
●桁架/剛架結構
剛架結構是由一些細杆通過一些節點相連而（ér）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（wěn）定性、自（zì）平衡性的要求。
圖2為Eurostar E3000通訊衛星上傳統支架結構與優化後的桁架結構。桁架結構是由Al合金經3D打印一體化製造成的，整體重量較傳統製造的減輕35%，而剛性增加40%。
圖（tú）2
另外還有（yǒu）根據（jù）桁架結構（gòu）衍生的蒙皮（pí）-剛架結構即為外表麵是薄壁結構內部為（wéi）鉸接（jiē）的（de）杆（gǎn）件。這種結構運用在3D打印技術中可以體現為薄壁（bì）加鉸接支撐杆件的形式。
●點陣夾芯結（jié）構
點陣夾芯結構在減重過程的特點在於優化結構的同（tóng）時亦能保證材料足夠的強度。在航空航天工（gōng）業中, 點陣夾芯結構常被用於製作各種壁板,航空（kōng）航天領域中可用於翼麵、艙麵、艙蓋、地（dì）板、消音板、隔熱板（bǎn）、衛星星體外殼等製備。圖3為一種點陣夾芯結（jié）構的減震梁（liáng）。
圖3
點陣結構在（zài）減重的同時，也可起到其他特殊作用。
例如圖4所示，航空發動（dòng）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（zhōng）的氣體分離，這（zhè）種網格結構（gòu）孔隙率高達95%，致密度降（jiàng）低到0.5g/cm2使得油氣混合（hé）物經過時，小油滴（dī）被（bèi）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高達99%。
這種結構在製造過程中問題在於（yú）未（wèi）熔融的金屬粉末黏附在框架上難去除。
圖4
●中（zhōng）空結構
中（zhōng）空結構為外殼為薄壁內中空或內部添加簡單支柱結構（gòu）。這（zhè）種結構缺點在於需要內部（bù）支撐，且（qiě）支撐難去除或無法去除。
圖（tú）5
二．以生物相（xiàng）容性為（wéi）目（mù）的
醫學植入體中的多孔及胞格結構（gòu）需要采用利於骨骼生長和細胞遷移的貫通式開孔結構（gòu）。同時也為了避（bì）免（miǎn）由於金屬（shǔ）高的彈性模量造成的“應力屏蔽”現象（xiàng），保證植入（rù）體的力學（xué）性能與真實骨結構相匹配。就需（xū）要采用3D打（dǎ）印特有的多孔結構/胞格結（jié）構設計製造，根據（jù）需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙（xì）率進行（háng）設計後完（wán）成（chéng）打印過程。
●多孔結構（gòu）/胞格結構（gòu）
“粉床熔融技術在醫療植入（rù）體製造中的應用”一文（wén）中介紹了四種多孔結構/胞格結（jié）構單元，其構造與（yǔ）為實現輕量化要求的點陣夾芯結構類似。但是目的不同，其目的在於保證結構單元組成（chéng）的生物植入體具有良（liáng）好的生物相容性。以（yǐ）圖6中Arcam公司EBM技術製造髖（kuān）臼杯為例。經過生物體實驗證明，這（zhè）種結構植入體有較好的生物相容性，孔結構內（nèi）有大量的骨組織長入。
圖6
三．其他複（fù）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（zào）等方式，傳統工藝除去高的製（zhì）造成本和長的生產周（zhōu）期外，對於管（guǎn）道需要的複雜樣條曲線一次很難（nán）製備成功。隨型冷（lěng）卻技術將模具製造與（yǔ）3D打印相結合來解決空間管道複雜形狀成型的方（fāng）式。
圖7為（wéi）Linear公司（sī）利用（yòng）隨型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（wéi）靜態機構和動態機構。其中（zhōng）靜態機構設計（jì）中最有名的當屬GE的噴油嘴。動態一體化機構特點在於（yú）免組裝、可實現動態聯接，傳統機械構件都需要分步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（zǔ）裝的整體機（jī）構。典型代表——萬向節，如圖8所示。
圖8
圖（tú）9為寶馬（mǎ）DTM采用SLM技術製備的鋁合（hé）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9
在航空航天領域的複雜結構還包括發動機或導彈用（yòng）小型發（fā）動機（jī）整體葉（yè）盤、增壓渦（wō）輪（lún）、支座、吊耳、起落架等結構。
●空間自由曲（qǔ）麵結構
自由曲麵結構是（shì）采用傳統方法很難或者無法加工的。
例如發動機（jī）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（tǒng）的鑄（zhù）造（zào）方法和數控加工技術製備的葉片，分別存在表（biǎo）麵質量差、加工效率低的缺點。增材（cái）製造技術為製造出幾何精度高、表麵質（zhì）量（liàng）好的葉片提供了技術條件。另外還可將點陣夾芯結構與自由曲麵（miàn）結（jié）構相結合，實現（xiàn）複雜曲麵輕量（liàng）化（huà）目的。
圖10
以及與此類似的空間自由曲麵多孔結構，例如Fig.11，一種薄（báo）壁管狀燃燒室。
