3D打印中的結構設計（jì）
點（diǎn）擊量：464 發布時（shí）間：2017-01-23 作者：草莓视频ios（上海）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（guī）理念的複雜結構零件是他的最大特點，可以使零件在保（bǎo）證其強度的前提下大幅度減（jiǎn）少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，這需（xū）要我們打破傳統設計理念，充分發揮想象力和創造力（lì）。本文結合現有的資料報道和業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
輕量化的設計要求就需要（yào）零件在結構上進（jìn）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（réng）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方案最便捷的製（zhì）備方法。這在航空航天領（lǐng）域具有重要意義，可以（yǐ）顯著降低飛（fēi）機或飛行器重量。以減速板支（zhī）架為例（lì）(圖1)，傳（chuán）統技術製造的鈦合金支架重量達430.3g，通（tōng）過結構優化設計後重量減（jiǎn）輕22%。
目前常采用的輕量化結構有以下幾種：
●桁（héng）架/剛（gāng）架結構
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（shěng）材料、實現打印（yìn）要求的同時，滿足所需的物理強（qiáng）度、受力穩定性、自平衡性的要求（qiú）。
圖2為Eurostar E3000通（tōng）訊衛星上（shàng）傳統支架（jià）結構與優化後的桁架（jià）結（jié）構。桁（héng）架結構是由Al合金經3D打印一體化（huà）製造成的，整體重量較傳統製造（zào）的減（jiǎn）輕35%，而剛（gāng）性增加40%。另外還有根據桁架結構衍生的（de）蒙皮-剛架結（jié）構即為外表麵（miàn）是薄壁結構內部為（wéi）鉸接的杆件。這（zhè）種結構運用在（zài）3D打（dǎ）印技術中可以體現為薄壁加鉸接支撐（chēng）杆件的形式。
●點陣夾芯結構
點（diǎn）陣夾芯（xīn）結構在減重過程的特點在（zài）於優化結（jié）構的同時亦（yì）能保證（zhèng）材（cái）料足夠的強度。在航空航天工業中, 點陣夾芯結構常被用於製作各種壁板,航空航天領（lǐng）域中可用（yòng）於翼麵（miàn）、艙麵、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛星（xīng）星體外殼等製備。圖3為一種點陣夾芯結構的減震梁。
點陣結構在減重的同時，也可起到其他特殊作用。
例如圖4所示，航空發動（dòng）機潤油係（xì）統的材料為Ti-6Al-4V油氣分離器。其工作原理為將回油中的氣體分離，這種網格結構孔隙率高達95%，致密度降低到0.5g/cm2使得（dé）油氣混合物經過時，小油滴被吸附於分離器內。Rolls-Royce公司使（shǐ）用（yòng）這種結構（gòu）實現了油氣分離效率（lǜ）高達99%。
這種結構在製造（zào）過程中問題在於未熔融的金屬粉末（mò）黏附（fù）在（zài）框架上難去除。
●中空結構
中空結構為外殼為（wéi）薄壁內中空或內部添加簡單（dān）支柱結構。這種結構缺點在於需（xū）要內部支撐，且支撐難去除或無法（fǎ）去除。
二．以生物（wù）相容性為目的（de）
醫學植入體中的（de）多孔及胞格結構需要采用利於骨（gǔ）骼生長和細胞遷移的（de）貫通式開（kāi）孔結構。同時也為了避（bì）免由於金屬高的彈性模量造（zào）成的“應力屏蔽”現象（xiàng），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打印特有的多孔結（jié）構/胞格結構設計製造，根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙（xì）率進行設計後（hòu）完成打印過（guò）程。
●多孔結構/胞格結構（gòu）
“粉床熔融技術在醫療植（zhí）入體製造中的應（yīng）用”一文中介紹了四種多孔結（jié）構/胞格結構單元，其（qí）構（gòu）造與為實現輕（qīng）量化要求的（de）點陣夾芯結（jié）構類似。但是目的不同，其目的在於保證結構單元組成的（de）生物植入體具有良好的生物相容性。以圖（tú）6中Arcam公司EBM技術製造髖臼杯（bēi）為例。經（jīng）過生物體實驗證明，這種結構植入體有較好的（de）生物相容性，孔結（jié）構內有大量的骨組織長入。
三．其他複雜結構
●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、鑄造等（děng）方式，傳統工藝除（chú）去高的製造成本和長的生產周（zhōu）期外，對於管（guǎn）道需要的複（fù）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（dǎ）印相結合來解決空間（jiān）管道複雜形狀成型的方式。
圖7為（wéi）Linear公司利用隨型冷（lěng）卻技術製備的空間異型管道結構。
●一體化複雜結構（gòu）
一體化複雜結構（gòu）又分為靜態機構和動態機構。其中靜（jìng）態（tài）機構設計（jì）中最有名的當屬GE的噴油嘴。動（dòng）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（jiàn）都需要分步打印各單件然（rán）後將單件裝配起來。而3D打印（yìn）可節省裝配步驟（zhòu），直接得到（dào）免（miǎn）組裝的整體機構。典型代表——萬向節，如（rú）圖8所（suǒ）示。
寶馬DTM采（cǎi）用SLM技術製備的鋁合金水（shuǐ）泵輪。這種一體化高精度的零件適合賽車運動惡劣的環境。
在航空航天（tiān）領域的複雜結構還包括發動機或導彈用小型發動（dòng）機整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳（ěr）、起（qǐ）落架等結構。
●空（kōng）間（jiān）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（yè）片（piàn）是這種薄壁複雜自由曲麵的典型代表，如圖10所示。傳統（tǒng）的鑄造方（fāng）法和數控加工技術製備的葉片，分（fèn）別存在表麵質量差、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（biǎo）麵（miàn）質量好的（de）葉（yè）片提供了技術條件。另外還可將點陣夾芯結構與自由曲麵結構相結合，實現複雜曲麵（miàn）輕量化目（mù）的。
以及與此類（lèi）似的空間自由曲麵多孔結構，例如Fig.11，一種薄壁管狀燃（rán）燒室（shì）。
