3D打印有很多優(yōu)點(diǎn)，能夠生產(chǎn)出超常規(guī)理念的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件是他的最大特點(diǎn)，可以使零件在保證其強(qiáng)度的前提下大幅度減少材料的應(yīng)用和減輕零件的重量。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在發(fā)揮3D打印優(yōu)點(diǎn)起著舉足輕重的作用，這需要我們打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。本文結(jié)合現(xiàn)有的資料報(bào)道和業(yè)內(nèi)一些工程師的經(jīng)驗(yàn)為您推薦幾種3D打印零件設(shè)計(jì)理念。

一.以輕量化為目的輕量化的設(shè)計(jì)要求就需要零件在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)點(diǎn)在于在減少材料用量的同時(shí)仍可滿足零件輕量化設(shè)計(jì)要求。3D打印是拓?fù)鋬?yōu)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案最便捷的制備方法。這在航空航天領(lǐng)域具有重要意義，可以顯著降低飛機(jī)或飛行器重量。以減速板支架為例(圖1)，傳統(tǒng)技術(shù)制造的鈦合金支架重量達(dá)430.3g，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后重量減輕22%。

目前常采用的輕量化結(jié)構(gòu)有以下幾種：

●桁架/剛架結(jié)構(gòu)
剛架結(jié)構(gòu)是由一些細(xì)桿通過(guò)一些節(jié)點(diǎn)相連而成。能在節(jié)省材料、實(shí)現(xiàn)打印要求的同時(shí)，滿足所需的物理強(qiáng)度、受力穩(wěn)定性、自平衡性的要求。
圖2為Eurostar  E3000通訊衛(wèi)星上傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后的桁架結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)是由Al合金經(jīng)3D打印一體化制造成的，整體重量較傳統(tǒng)制造的減輕35%，而剛性增加40%。

另外還有根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)衍生的蒙皮-剛架結(jié)構(gòu)即為外表面是薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部為鉸接的桿件。這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用在3D打印技術(shù)中可以體現(xiàn)為薄壁加鉸接支撐桿件的形式。

●點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)
點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)在減重過(guò)程的特點(diǎn)在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)亦能保證材料足夠的強(qiáng)度。在航空航天工業(yè)中,  點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)常被用于制作各種壁板,航空航天領(lǐng)域中可用于翼面、艙面、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼等制備。圖3為一種點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的減震梁。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在減重的同時(shí)，也可起到其他特殊作用。
例如圖4所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)油系統(tǒng)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)孔隙率高達(dá)95%，致密度降低到0.5g/cm2使得油氣混合物經(jīng)過(guò)時(shí)，小油滴被吸附于分離器內(nèi)。Rolls-Royce公司使用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了油氣分離效率高達(dá)99%。
這種結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中問(wèn)題在于未熔融的金屬粉末黏附在框架上難去除。

●中空結(jié)構(gòu)
中空結(jié)構(gòu)為外殼為薄壁內(nèi)中空或內(nèi)部添加簡(jiǎn)單支柱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于需要內(nèi)部支撐，且支撐難去除或無(wú)法去除。

二.以生物相容性為目的
醫(yī)學(xué)植入體中的多孔及胞格結(jié)構(gòu)需要采用利于骨骼生長(zhǎng)和細(xì)胞遷移的貫通式開(kāi)孔結(jié)構(gòu)。同時(shí)也為了避免由于金屬高的彈性模量造成的“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，保證植入體的力學(xué)性能與真實(shí)骨結(jié)構(gòu)相匹配。就需要采用3D打印特有的多孔結(jié)構(gòu)/胞格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，根據(jù)需要對(duì)孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙率進(jìn)行設(shè)計(jì)后完成打印過(guò)程。

●多孔結(jié)構(gòu)/胞格結(jié)構(gòu)
“粉床熔融技術(shù)在醫(yī)療植入體制造中的應(yīng)用”一文中介紹了四種多孔結(jié)構(gòu)/胞格結(jié)構(gòu)單元，其構(gòu)造與為實(shí)現(xiàn)輕量化要求的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)類似。但是目的不同，其目的在于保證結(jié)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(shù)制造髖臼杯為例。經(jīng)過(guò)生物體實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)植入體有較好的生物相容性，孔結(jié)構(gòu)內(nèi)有大量的骨組織長(zhǎng)入。

三.其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)

●空間異型管道結(jié)構(gòu)
空間異型管道傳統(tǒng)的制造工藝為注塑成型、鑄造等方式，傳統(tǒng)工藝除去高的制造成本和長(zhǎng)的生產(chǎn)周期外，對(duì)于管道需要的復(fù)雜樣條曲線一次很難制備成功。隨型冷卻技術(shù)將模具制造與3D打印相結(jié)合來(lái)解決空間管道復(fù)雜形狀成型的方式。
圖7為L(zhǎng)inear公司利用隨型冷卻技術(shù)制備的空間異型管道結(jié)構(gòu)。

●一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)
一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)又分為靜態(tài)機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)。其中靜態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最有名的當(dāng)屬GE的噴油嘴。動(dòng)態(tài)一體化機(jī)構(gòu)特點(diǎn)在于免組裝、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)接，傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)件都需要分步打印各單件然后將單件裝配起來(lái)。而3D打印可節(jié)省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機(jī)構(gòu)。典型代表——萬(wàn)向節(jié)，如圖8所示。

圖為寶馬DTM采用SLM技術(shù)制備的鋁合金水泵輪。這種一體化高精度的零件適合賽車運(yùn)動(dòng)惡劣的環(huán)境。

在航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)還包括發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)椨眯⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等結(jié)構(gòu)。

●空間自由曲面結(jié)構(gòu)
自由曲面結(jié)構(gòu)是采用傳統(tǒng)方法很難或者無(wú)法加工的。
例如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是這種薄壁復(fù)雜自由曲面的典型代表，如圖10所示。傳統(tǒng)的鑄造方法和數(shù)控加工技術(shù)制備的葉片，分別存在表面質(zhì)量差、加工效率低的缺點(diǎn)。增材制造技術(shù)為制造出幾何精度高、表面質(zhì)量好的葉片提供了技術(shù)條件。另外還可將點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)與自由曲面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面輕量化目的。

以及與此類似的空間自由曲面多孔結(jié)構(gòu)，例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒室。

來(lái)源：中國(guó)增材制造

3D打印有很多優(yōu)點(diǎn)，能夠生產(chǎn)出超常規(guī)理念的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件是他的最大特點(diǎn)，可以使零件在保證其強(qiáng)度的前提下大幅度減少材料的應(yīng)用和減輕零件的重量。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在發(fā)揮3D打印優(yōu)點(diǎn)起著舉足輕重的作用，這需要我們打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。本文結(jié)合現(xiàn)有的資料報(bào)道和業(yè)內(nèi)一些工程師的經(jīng)驗(yàn)為您推薦幾種3D打印零件設(shè)計(jì)理念。

一.以輕量化為目的輕量化的設(shè)計(jì)要求就需要零件在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)點(diǎn)在于在減少材料用量的同時(shí)仍可滿足零件輕量化設(shè)計(jì)要求。3D打印是拓?fù)鋬?yōu)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案最便捷的制備方法。這在航空航天領(lǐng)域具有重要意義，可以顯著降低飛機(jī)或飛行器重量。以減速板支架為例(圖1)，傳統(tǒng)技術(shù)制造的鈦合金支架重量達(dá)430.3g，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后重量減輕22%。

目前常采用的輕量化結(jié)構(gòu)有以下幾種：

●桁架/剛架結(jié)構(gòu)
剛架結(jié)構(gòu)是由一些細(xì)桿通過(guò)一些節(jié)點(diǎn)相連而成。能在節(jié)省材料、實(shí)現(xiàn)打印要求的同時(shí)，滿足所需的物理強(qiáng)度、受力穩(wěn)定性、自平衡性的要求。
圖2為Eurostar  E3000通訊衛(wèi)星上傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后的桁架結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)是由Al合金經(jīng)3D打印一體化制造成的，整體重量較傳統(tǒng)制造的減輕35%，而剛性增加40%。

另外還有根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)衍生的蒙皮-剛架結(jié)構(gòu)即為外表面是薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部為鉸接的桿件。這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用在3D打印技術(shù)中可以體現(xiàn)為薄壁加鉸接支撐桿件的形式。

●點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)
點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)在減重過(guò)程的特點(diǎn)在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)亦能保證材料足夠的強(qiáng)度。在航空航天工業(yè)中,  點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)常被用于制作各種壁板,航空航天領(lǐng)域中可用于翼面、艙面、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼等制備。圖3為一種點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的減震梁。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在減重的同時(shí)，也可起到其他特殊作用。
例如圖4所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)油系統(tǒng)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)孔隙率高達(dá)95%，致密度降低到0.5g/cm2使得油氣混合物經(jīng)過(guò)時(shí)，小油滴被吸附于分離器內(nèi)。Rolls-Royce公司使用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了油氣分離效率高達(dá)99%。
這種結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中問(wèn)題在于未熔融的金屬粉末黏附在框架上難去除。

●中空結(jié)構(gòu)
中空結(jié)構(gòu)為外殼為薄壁內(nèi)中空或內(nèi)部添加簡(jiǎn)單支柱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于需要內(nèi)部支撐，且支撐難去除或無(wú)法去除。

二.以生物相容性為目的
醫(yī)學(xué)植入體中的多孔及胞格結(jié)構(gòu)需要采用利于骨骼生長(zhǎng)和細(xì)胞遷移的貫通式開(kāi)孔結(jié)構(gòu)。同時(shí)也為了避免由于金屬高的彈性模量造成的“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，保證植入體的力學(xué)性能與真實(shí)骨結(jié)構(gòu)相匹配。就需要采用3D打印特有的多孔結(jié)構(gòu)/胞格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，根據(jù)需要對(duì)孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙率進(jìn)行設(shè)計(jì)后完成打印過(guò)程。

●多孔結(jié)構(gòu)/胞格結(jié)構(gòu)
“粉床熔融技術(shù)在醫(yī)療植入體制造中的應(yīng)用”一文中介紹了四種多孔結(jié)構(gòu)/胞格結(jié)構(gòu)單元，其構(gòu)造與為實(shí)現(xiàn)輕量化要求的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)類似。但是目的不同，其目的在于保證結(jié)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(shù)制造髖臼杯為例。經(jīng)過(guò)生物體實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)植入體有較好的生物相容性，孔結(jié)構(gòu)內(nèi)有大量的骨組織長(zhǎng)入。

三.其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)

●空間異型管道結(jié)構(gòu)
空間異型管道傳統(tǒng)的制造工藝為注塑成型、鑄造等方式，傳統(tǒng)工藝除去高的制造成本和長(zhǎng)的生產(chǎn)周期外，對(duì)于管道需要的復(fù)雜樣條曲線一次很難制備成功。隨型冷卻技術(shù)將模具制造與3D打印相結(jié)合來(lái)解決空間管道復(fù)雜形狀成型的方式。
圖7為L(zhǎng)inear公司利用隨型冷卻技術(shù)制備的空間異型管道結(jié)構(gòu)。

●一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)
一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)又分為靜態(tài)機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)。其中靜態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最有名的當(dāng)屬GE的噴油嘴。動(dòng)態(tài)一體化機(jī)構(gòu)特點(diǎn)在于免組裝、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)接，傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)件都需要分步打印各單件然后將單件裝配起來(lái)。而3D打印可節(jié)省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機(jī)構(gòu)。典型代表——萬(wàn)向節(jié)，如圖8所示。

圖為寶馬DTM采用SLM技術(shù)制備的鋁合金水泵輪。這種一體化高精度的零件適合賽車運(yùn)動(dòng)惡劣的環(huán)境。

在航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)還包括發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)椨眯⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等結(jié)構(gòu)。

●空間自由曲面結(jié)構(gòu)
自由曲面結(jié)構(gòu)是采用傳統(tǒng)方法很難或者無(wú)法加工的。
例如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是這種薄壁復(fù)雜自由曲面的典型代表，如圖10所示。傳統(tǒng)的鑄造方法和數(shù)控加工技術(shù)制備的葉片，分別存在表面質(zhì)量差、加工效率低的缺點(diǎn)。增材制造技術(shù)為制造出幾何精度高、表面質(zhì)量好的葉片提供了技術(shù)條件。另外還可將點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)與自由曲面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面輕量化目的。

以及與此類似的空間自由曲面多孔結(jié)構(gòu)，例如Fig.11，一種薄壁管狀燃燒室。

來(lái)源：中國(guó)增材制造