3D打印中的結構設計

閱讀次數:323     發布時間:2016-11-03

       3D打印有很多優點,能夠生產出超常規理念的復雜結構零件是他的最大特點,可以使零件在保證其強度的前提下大幅度減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零件在結構上進行拓撲優化。拓撲結構優化優點在于在減少材料用量的同時仍可滿足零件輕量化設計要求。3D打印是拓撲優化復雜結構設計方案最便捷的制備方法。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。以減速板支架為例(1),傳統技術制造的鈦合金支架重量達430.3g,通過結構優化設計后重量減輕22%。

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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桿通過一些節點相連而成。能在節省材料、實現打印要求的同時,滿足所需的物理強度、受力穩定性、自平衡性的要求。

        Eurostar E3000通訊衛星上傳統支架結構與優化后的桁架結構。桁架結構是由Al合金經3D打印一體化制造成的,整體重量較傳統制造的減輕35%,而剛性增加40%。

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另外,還有根據桁架結構衍生的蒙皮-剛架結構即為外表面是薄壁結構內部為鉸接的桿件。這種結構運用在3D打印技術中可以體現為薄壁加鉸接支撐桿件的形式。

   ●點陣夾芯結構

   點陣夾芯結構在減重過程的特點在于優化結構的同時亦能保證材料足夠的強度。在航空航天工業中, 點陣夾芯結構常被用于制作各種壁板,航空航天領域中可用于翼面、艙面、艙蓋、地板、消音板、隔熱板、衛星星體外殼等制備。圖3為一種點陣夾芯結構的減震梁。

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點陣結構在減重的同時,也可起到其他特殊作用。

航空發動機潤油系統的材料為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使得油氣混合物經過時,小油滴被吸附于分離器內。Rolls-Royce公司使用這種結構實現了油氣分離效率高達99%。

這種結構在制造過程中問題在于未熔融的金屬粉末黏附在框架上難去除。

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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。這種結構缺點在于需要內部支撐,且支撐難去除或無法去除。

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二、以生物相容性為目的

醫學植入體中的多孔及胞格結構需要采用利于骨骼生長和細胞遷移的貫通式開孔結構。同時也為了避免由于金屬高的彈性模量造成的“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。就需要采用3D打印特有的多孔結構/胞格結構設計制造,根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙率進行設計后完成打印過程。

多孔結構/胞格結構

“粉床熔融技術在醫療植入體制造中的應用”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,其目的在于保證結構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技術制造髖臼杯為例。經過生物體實驗證明,這種結構植入體有較好的生物相容性,孔結構內有大量的骨組織長入。

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三、其他復雜結構

空間異型管道結構

空間異型管道傳統的制造工藝為注塑成型、鑄造等方式,傳統工藝除去高的制造成本和長的生產周期外,對于管道需要的復雜樣條曲線一次很難制備成功。隨型冷卻技術將模具制造與3D打印相結合來解決空間管道復雜形狀成型的方式。

Linear公司利用隨型冷卻技術制備的空間異型管道結構。

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一體化復雜結構

一體化復雜結構又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。動態一體化機構特點在于免組裝、可實現動態聯接,傳統機械構件都需要分步打印各單件然后將單件裝配起來。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8所示。

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圖9為寶馬DTM采用SLM技術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動惡劣的環境。

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在航空航天領域的復雜結構還包括發動機或導彈用小型發動機整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等結構。

●空間自由曲面結構

自由曲面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復雜自由曲面的典型代表,如圖10所示。傳統的鑄造方法和數控加工技術制備的葉片,分別存在表面質量差、加工效率低的缺點。增材制造技術為制造出幾何精度高、表面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面結構相結合,實現復雜曲面輕量化目的。

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以及與此類似的空間自由曲面多孔結構,例如Fig.11,一種薄壁管狀燃燒室。

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備注:文章圖片均來自網絡


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