3D打印中的結構設計
點擊量：483 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（dǎ）印有很（hěn）多優點，能夠生產出超常規理念的複雜結構零件是他的最（zuì）大特點，可以使零件在保證其強度的前提下大幅度減少材（cái）料的（de）應用和減輕零件的重量。零件結構設計在發揮3D打印優（yōu）點起著舉足輕重的作用，這需要我們打（dǎ）破傳統設計理念，充分（fèn）發揮想象（xiàng）力和創造（zào）力。本文結合現有的資料報道和業內一些工程師（shī）的經驗為您推薦（jiàn）幾（jǐ）種3D打印零件設計理念。
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進行拓撲優化。拓撲結構優化優點（diǎn）在於在減少材料用量的同時仍可滿足零件輕（qīng）量化設（shè）計要求。3D打印是拓撲優化複雜結（jié）構設計方案最便捷的製備方法。這在航空航天領域具有重要意義，可以顯著降低飛機或飛（fēi）行器重量（liàng）。以減速板支架為例(圖1)，傳統技術製造的鈦合金支架重量達430.3g，通過結構優化設計後重量（liàng）減輕22%。
目前常采用的輕量化結構（gòu）有以下幾種：
●桁架/剛架（jià）結構
剛架結構是由一些細杆通過一些（xiē）節（jiē）點相連而成。能在節省材料、實現打印要求的同時（shí），滿足所需的物理強度、受（shòu）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（héng）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（gāng）性增加40%。另（lìng）外（wài）還有根據桁架結構衍生的蒙（méng）皮-剛架結構即（jí）為外（wài）表麵（miàn）是薄壁結構內部為鉸接的杆件。這種結（jié）構運用在3D打印（yìn）技術（shù）中可以體現為薄壁加鉸接（jiē）支撐（chēng）杆件的形式。
●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（néng）保證材（cái）料足夠的強度。在航空航天工業（yè）中, 點陣夾芯結構常被用於製作各種壁板,航（háng）空航天領域中可用於翼麵、艙麵、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛星星體外殼等製備。圖3為一種點陣夾芯結構的減（jiǎn）震梁。
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（shì），航空發動機潤油係統的（de）材料（liào）為Ti-6Al-4V油氣（qì）分離器。其工作（zuò）原理（lǐ）為將回油中的氣體分離，這種網格結構孔隙率高達95%，致密度降低（dī）到0.5g/cm2使得（dé）油氣混合物經（jīng）過（guò）時，小油滴被吸附於分離器內。Rolls-Royce公司（sī）使用這種結構實現了（le）油氣分離效率高達99%。
這種結構在製造過（guò）程中問題在於未熔融的（de）金屬粉末黏附（fù）在框架上難去除。
●中空結構
中空結構為外殼為薄壁內中空或內部添加簡單支柱結構。這（zhè）種結構缺點在於需要內部支撐，且支撐難（nán）去除或無法去除。
二．以生物（wù）相容性為目的
醫學（xué）植入體中的（de）多孔及胞格結構需（xū）要采用利於骨骼生長和細胞遷移的（de）貫通式開孔結構。同時也為了避免由於金屬高的彈（dàn）性模量（liàng）造成的（de）“應力屏蔽”現象，保證植入體的（de）力學性能與真（zhēn）實骨結構相匹配。就需要采用3D打印特有的多孔結構/胞格結構設計製造（zào），根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔（kǒng）壁（bì）厚度（dù）及孔隙率進行設計後完成打印過程。
●多孔結構/胞（bāo）格結構
“粉床熔融技術在醫療植入體製造中的應用”一文中介紹了四種多孔結構（gòu）/胞格結構單元，其（qí）構造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（qí）目的在（zài）於保證結構單（dān）元組成（chéng）的生物植入體具有良好的生物（wù）相容性。以圖6中Arcam公司EBM技術製造髖臼杯為例。經過生物體實驗證明，這種結構植入體有較好的生物相（xiàng）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（guǎn）道結構
空間異型管道傳統的製造（zào）工藝為注塑成型、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（duì）於管道需要的複雜樣條曲線一（yī）次很難製備（bèi）成功。隨型冷卻技術將模具製造與3D打印（yìn）相結合來解決空間管道複雜形狀成型的方式。
圖（tú）7為（wéi）Linear公司利用隨型冷卻技術製備的空間異型管道結構。
●一體化複雜（zá）結（jié）構
一體（tǐ）化複雜結構又分為靜態機構和動（dòng）態機構。其中靜態機構設計中最（zuì）有名的當屬GE的噴油嘴。動態一體化機構特點在於免組裝、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，直接得到免組裝的整體機構。典型代表——萬向節，如圖（tú）8所示。
寶（bǎo）馬DTM采用SLM技術製備的（de）鋁合金水（shuǐ）泵輪。這種一體化（huà）高精度的零件適合賽（sài）車運動惡劣的環境。
在（zài）航空航天領域的複雜結（jié）構還包括發動機或導彈用小型發動機整體（tǐ）葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等結構。
●空（kōng）間自由曲麵結構
自由曲麵結構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種薄壁複雜自由曲麵的典型代表，如圖10所示。傳統的鑄（zhù）造方法和數控加工（gōng）技術（shù）製備的葉片，分別存在表麵質量差、加工（gōng）效率低的缺點。增材製造技術為製造出幾何精度高、表麵質量好的葉（yè）片提供了（le）技術條件。另外還可將點陣夾芯結構與自由曲（qǔ）麵結構（gòu）相結合，實現複（fù）雜曲麵輕（qīng）量化目的。
以及與此類似的空間自由曲麵（miàn）多孔結構，例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒（shāo）室。
