3D打印中的結構設計
點擊量：404 發布時間：2017-01-17 作者：草莓视频ios（mài）（上海）增材製造技術有限公（gōng）司
3D打印有很（hěn）多優點，能夠生產出超常規（guī）理念的複雜結構零件是（shì）他的最大特點，可以使零（líng）件在保證其強度的前提下大（dà）幅度減少材（cái）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，這需要我們打破傳統（tǒng）設計理念，充分發揮想象（xiàng）力（lì）和創造力。本文結合現有的資料報道和（hé）業內一些工程師的經驗為您（nín）推薦幾種3D打印零件設計理念。
一．以（yǐ）輕量化為目的
輕量化的設計要求就（jiù）需要零件在結構上進（jìn）行拓撲優化。拓撲結構（gòu）優化優點在於在（zài）減少材料（liào）用量的同時仍可滿足零件輕量化設計要（yào）求。3D打（dǎ）印是拓撲優化（huà）複雜結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行器重量（liàng）。以減速板支架為例(圖1)，傳統（tǒng）技術製（zhì）造的鈦（tài）合金（jīn）支架重量達430.3g，通過結構優化設計（jì）後重量減輕22%。
目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杆通過一些節點相連而成。能（néng）在（zài）節省（shěng）材料、實現打（dǎ）印要求的同時，滿足所需的物理強度、受力（lì）穩定性、自平衡性的要求。
圖2為Eurostar E3000通訊衛星上傳統支架結（jié）構與（yǔ）優化後的桁架結構。桁架結構是由Al合金經3D打（dǎ）印一（yī）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（gǎn）件。這種結構（gòu）運用在3D打（dǎ）印技術中可以體現為薄壁加鉸接支撐杆件的形式（shì）。
●點陣夾芯結構
點陣夾芯結構（gòu）在減重過程的特點在於優化結構的同時（shí）亦能保證材料足夠（gòu）的（de）強度。在航空航天工業中, 點陣夾芯（xīn）結構（gòu）常被用（yòng）於製作各種壁板,航空（kōng）航天領（lǐng）域中可用於翼麵（miàn）、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震梁。
圖3
點（diǎn）陣結構在減重的同時，也可起到其他（tā）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。其工作原理為將回（huí）油中的氣體分離，這種網格（gé）結構孔隙率高達95%，致（zhì）密度降低到0.5g/cm2使得油氣混（hún）合物經過（guò）時，小油滴被吸附於分離器（qì）內。Rolls-Royce公司使用這種結構實現了油氣分離效率高達99%。
這（zhè）種（zhǒng）結（jié）構在製造過程中（zhōng）問題在於未熔融的金屬粉末黏附在框架上難去除。
圖4
●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（zài）於需（xū）要內部支撐，且支撐難去除或無法去除。
圖5
二．以（yǐ）生物相容性為目的
醫（yī）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遷移（yí）的貫通式開孔結（jié）構。同時也為了避免由（yóu）於金屬高的彈性模量造（zào）成的“應（yīng）力（lì）屏蔽”現象，保證植入體的力學性能與真實骨結構相匹配。就需要采用3D打印（yìn）特有的（de）多孔結構/胞（bāo）格結構設計製（zhì）造，根據需要對孔的（de）類型、孔徑尺（chǐ）寸、孔壁厚度及孔隙率進行設計後完成打印過程。
●多孔（kǒng）結構/胞格（gé）結構
“粉（fěn）床熔融（róng）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/胞格結構單元，其構造與為實（shí）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的生物（wù）植入體具有良好的生（shēng）物相容性。以圖6中Arcam公司EBM技術製造（zào）髖臼杯為例。經過生物體（tǐ）實驗證明，這種結構植入體有較好的生（shēng）物相容性，孔結構（gòu）內有大量的骨組織長入。
圖6
三．其他複雜結構
●空間異（yì）型管道結構
空間（jiān）異型管道傳統的製造工（gōng）藝為注塑成型、鑄造等方式，傳統（tǒng）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功。隨型冷（lěng）卻技術將模具製造與3D打印相結合來解決空間管道複（fù）雜形狀成型的方式。
圖7為（wéi）Linear公司利用隨型冷卻技術製備的空間異型（xíng）管道（dào）結構。
圖7
●一體（tǐ）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屬GE的噴油嘴。動態一體化機（jī）構特點在於免組裝、可實（shí）現動態聯接，傳統機械構件都需要分步（bù）打印各單件然後將單件裝配（pèi）起來。而（ér）3D打印可節省裝配步驟，直接得到免（miǎn）組裝的整體機構。典型（xíng）代表——萬向節，如圖8所示。
圖8
圖9為寶馬（mǎ）DTM采用SLM技術製備的鋁合金水泵輪。這種一體（tǐ）化高精度的零件適合賽車運動惡劣的環境。
圖9
在（zài）航空航天領域的（de）複雜結構還包括發動機或導彈用小型發動（dòng）機整體（tǐ）葉盤（pán）、增壓渦輪、支座、吊（diào）耳、起落（luò）架等結構。
●空（kōng）間自由曲麵結（jié）構
自由曲麵結構（gòu）是（shì）采用傳統方（fāng）法很（hěn）難或者無（wú）法加工的。
例如發動機葉片是（shì）這種薄壁複雜自由曲麵的典型代表（biǎo），如圖10所示。傳統的鑄（zhù）造方法（fǎ）和數控加工技術（shù）製備的葉片，分別存在（zài）表（biǎo）麵質量差、加（jiā）工效率低的缺點。增材製造（zào）技術為製造出幾何精度高、表麵質量好的葉片提供了技術條件。另（lìng）外（wài）還可將點陣夾芯結構（gòu）與自由曲麵結構（gòu）相結合，實現複雜曲麵輕量化（huà）目的。
圖10
以及與此類似的空間自由曲麵（miàn）多孔結構（gòu），例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒室。
