3D打（dǎ）印中（zhōng）的結構設計
點擊量：424 發布時（shí）間：2017-01-17 作者：快猫视频APP下载安装（上海（hǎi））增材製造技術有限公司
3D打印有很多優點，能夠生產出超常規理念的複雜結（jié）構（gòu）零（líng）件是他的最大（dà）特（tè）點，可以使零件在保證其強度的前提下大幅度減（jiǎn）少材料的應用和（hé）減輕零件的（de）重量（liàng）。零件結構設計在（zài）發揮3D打印優點起著舉足輕重的作用，這需要我們打破傳統設計理念，充分發揮想象力和創造力。本文結合現（xiàn）有的資料報（bào）道和業內（nèi）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
輕量化的設計要求就需要零件在結構上進行拓撲優化。拓撲結構（gòu）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（gòu）設計方案最便捷的製備方法（fǎ）。這在航空航天領域具有重要（yào）意義，可以（yǐ）顯著降低飛機或飛行器重量。以減速板支架為例(圖1)，傳統技（jì）術製造的（de）鈦合金（jīn）支架重（chóng）量達430.3g，通過結構優化設計後重量減輕22%。
目前常采（cǎi）用的輕量化結（jié）構有以（yǐ）下幾種：
●桁架/剛架結構（gòu）
剛架結構是由一些細杆通過一些節點（diǎn）相（xiàng）連而成。能在節省材料（liào）、實現打印（yìn）要求的同時，滿足所需的物理強度、受力穩定性、自平衡性的要（yào）求。
圖2為Eurostar E3000通訊（xùn）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（tǐ）重量較傳統製造（zào）的減輕35%，而剛（gāng）性增加40%。
圖（tú）2
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（wéi）鉸接的杆件。這種結構運用在3D打（dǎ）印技術（shù）中可以體現為（wéi）薄壁加鉸（jiǎo）接支撐杆（gǎn）件的形式。
●點（diǎn）陣夾芯結構
點陣夾芯結構（gòu）在減重過程的特點在於優化結構的（de）同時亦能保證（zhèng）材料足夠的強度。在航空航天工業中, 點陣夾芯結構（gòu）常被用於製作各種壁板（bǎn）,航空（kōng）航（háng）天領域中（zhōng）可用於翼麵、艙麵、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛星星體外殼等製備。圖3為一種（zhǒng）點陣夾芯結構的減震梁（liáng）。
圖（tú）3
點陣結構在減重的同時，也可起到其（qí）他特殊作用。
例如圖4所示，航空發動機潤油係統的材料為Ti-6Al-4V油氣（qì）分（fèn）離器。其工作原（yuán）理為將回油中的氣體分離，這種網格結（jié）構孔隙率高達（dá）95%，致密度降低到0.5g/cm2使（shǐ）得油（yóu）氣混合（hé）物經過時，小油滴被（bèi）吸附於分離器內。Rolls-Royce公司使用這（zhè）種結構實現了油氣分離效（xiào）率高達99%。
這種結構在（zài）製造過程中問題在於未（wèi）熔融的金屬粉末黏（nián）附在框架上難去除。
圖4
●中空結構
中空（kōng）結構為外（wài）殼為薄壁內中（zhōng）空或內（nèi）部添加簡單支柱結構（gòu）。這種結構缺點在於需要內部支撐，且支撐難去除或無法（fǎ）去（qù）除。
圖5
二．以生物相容（róng）性（xìng）為目的
醫學植入（rù）體中的多孔及胞格結構需要采（cǎi）用利於骨骼生長和細胞遷移的貫通式開孔結構。同時也為了避免由於金屬高的彈性（xìng）模（mó）量造成的“應力屏蔽”現象，保證植入體的力學性能與真實骨結構相匹配。就（jiù）需要采用3D打印特有的多孔結構/胞格結構設計製（zhì）造，根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙率（lǜ）進行設計後完成打（dǎ）印過程。
●多孔結構/胞格結構
“粉床熔融技術在醫（yī）療（liáo）植入體製造中的應用”一文中介紹了四種多孔結構/胞格結構單元，其構造（zào）與為實現輕量化要求的點陣夾芯結構類（lèi）似。但是目的不同，其目的在於保證結構（gòu）單元組成的生物植入體具有良好的生物相容性。以圖6中Arcam公司EBM技術製（zhì）造髖臼杯為例。經（jīng）過生物體實驗證明，這種結構植（zhí）入（rù）體有較好的（de）生物相容性，孔結（jié）構（gòu）內有大量的骨組織長入。
圖6
三．其他複雜結構
●空間（jiān）異型管道結（jié）構
空間異型管（guǎn）道傳統的製造工（gōng）藝為注塑成型、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條曲線一次很難製備成（chéng）功。隨型冷卻技（jì）術將（jiāng）模具製造與3D打印相結合來解決空間管道複雜（zá）形狀成型的方式（shì）。
圖7為（wéi）Linear公司利用隨型冷卻技術製備的空間（jiān）異型管道結構。
圖7
●一體化複雜結構
一體化複雜結構又（yòu）分為靜態機構和動態機構。其中靜態機構設計中最有名的當（dāng）屬GE的噴油嘴。動態一體化機構特點在於免組裝、可（kě）實（shí）現動態聯接，傳統機械構件都需要分步（bù）打（dǎ）印（yìn）各單件然後將單件裝配起來。而3D打印可節省裝配（pèi）步驟，直接得到免組裝的整體機構。典型代（dài）表——萬向節，如圖8所示。
圖8
圖9為寶馬DTM采用SLM技術製備的鋁合金水泵輪。這種（zhǒng）一體（tǐ）化高精度的（de）零件適合賽車（chē）運（yùn）動惡劣的（de）環境。
圖9
在航空航天領域的複雜結構還包括發動（dòng）機或導彈（dàn）用小型發動機整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等結構。
●空間自由（yóu）曲麵結構
自由曲麵結構是采用傳統（tǒng）方法很難或者無法加工的。
例如發動機（jī）葉片是這種薄（báo）壁複雜自由曲（qǔ）麵的典型代表（biǎo），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（quē）點。增材製（zhì）造技術為製造出幾何精度高、表（biǎo）麵質量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（jié）合（hé），實現複雜曲麵輕（qīng）量化目的。
圖10
以及與（yǔ）此類似的空間自由曲麵多孔結構（gòu），例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒室。
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