3D打印中的结构设计

发表于 2016-12-13 03:02:59 显示全部楼层 0 11142

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3D打印有很多优点,能够生产出超常规理念的复杂结构零件是他的最大特点,可以使零件在保证其强度的前提下大幅度减少材料的应用和减轻零件的重量。零件结构设计在发挥3D打印优点起着举足轻重的作用,这需要我们打破传统设计理念,充分发挥想象力和创造力。本文结合现有的资料报道和业内一些工程师的经验为您推荐几种3D打印零件设计理念。

一.以轻量化为目的
  轻量化的设计要求就需要零件在结构上进行拓扑优化。拓扑结构优化优点在于在减少材料用量的同时仍可满足零件轻量化设计要求。3D打印是拓扑优化复杂结构设计方案最便捷的制备方法。这在航空航天领域具有重要意义,可以显著降低飞机或飞行器重量。以减速板支架为例(图1),传统技术制造的钛合金支架重量达430.3g,通过结构优化设计后重量减轻22%。

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  目前常采用的轻量化结构有以下几种:

  ●桁架/刚架结构
  刚架结构是由一些细杆通过一些节点相连而成。能在节省材料、实现打印要求的同时,满足所需的物理强度、受力稳定性、自平衡性的要求。
  图2为Eurostar E3000通讯卫星上传统支架结构与优化后的桁架结构。桁架结构是由Al合金经3D打印一体化制造成的,整体重量较传统制造的减轻35%,而刚性增加40%。
  

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  另外还有根据桁架结构衍生的蒙皮-刚架结构即为外表面是薄壁结构内部为铰接的杆件。这种结构运用在3D打印技术中可以体现为薄壁加铰接支撑杆件的形式。

  ●点阵夹芯结构
  点阵夹芯结构在减重过程的特点在于优化结构的同时亦能保证材料足够的强度。在航空航天工业中, 点阵夹芯结构常被用于制作各种壁板,航空航天领域中可用于翼面、舱面、舱盖、地板、消音板、隔热板、卫星星体外壳等制备。图3为一种点阵夹芯结构的减震梁。

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  点阵结构在减重的同时,也可起到其他特殊作用。
  例如图4所示,航空发动机润油系统的材料为Ti-6Al-4V油气分离器。其工作原理为将回油中的气体分离,这种网格结构孔隙率高达95%,致密度降低到0.5g/cm2使得油气混合物经过时,小油滴被吸附于分离器内。Rolls-Royce公司使用这种结构实现了油气分离效率高达99%。
  这种结构在制造过程中问题在于未熔融的金属粉末黏附在框架上难去除。

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  ●中空结构
  中空结构为外壳为薄壁内中空或内部添加简单支柱结构。这种结构缺点在于需要内部支撑,且支撑难去除或无法去除。

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  二.以生物相容性为目的
  医学植入体中的多孔及胞格结构需要采用利于骨骼生长和细胞迁移的贯通式开孔结构。同时也为了避免由于金属高的弹性模量造成的“应力屏蔽”现象,保证植入体的力学性能与真实骨结构相匹配。就需要采用3D打印特有的多孔结构/胞格结构设计制造,根据需要对孔的类型、孔径尺寸、孔壁厚度及孔隙率进行设计后完成打印过程。

  ●多孔结构/胞格结构
  “粉床熔融技术在医疗植入体制造中的应用”一文中介绍了四种多孔结构/胞格结构单元,其构造与为实现轻量化要求的点阵夹芯结构类似。但是目的不同,其目的在于保证结构单元组成的生物植入体具有良好的生物相容性。以图6中Arcam公司EBM技术制造髋臼杯为例。经过生物体实验证明,这种结构植入体有较好的生物相容性,孔结构内有大量的骨组织长入。

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  三.其他复杂结构

  ●空间异型管道结构
  空间异型管道传统的制造工艺为注塑成型、铸造等方式,传统工艺除去高的制造成本和长的生产周期外,对于管道需要的复杂样条曲线一次很难制备成功。随型冷却技术将模具制造与3D打印相结合来解决空间管道复杂形状成型的方式。
  图7为Linear公司利用随型冷却技术制备的空间异型管道结构。

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  ●一体化复杂结构
  一体化复杂结构又分为静态机构和动态机构。其中静态机构设计中最有名的当属GE的喷油嘴。动态一体化机构特点在于免组装、可实现动态联接,传统机械构件都需要分步打印各单件然后将单件装配起来。而3D打印可节省装配步骤,直接得到免组装的整体机构。典型代表——万向节,如图8所示。

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  图为宝马DTM采用SLM技术制备的铝合金水泵轮。这种一体化高精度的零件适合赛车运动恶劣的环境。

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  在航空航天领域的复杂结构还包括发动机或导弹用小型发动机整体叶盘、增压涡轮、支座、吊耳、起落架等结构。

  ●空间自由曲面结构
  自由曲面结构是采用传统方法很难或者无法加工的。
  例如发动机叶片是这种薄壁复杂自由曲面的典型代表,如图10所示。传统的铸造方法和数控加工技术制备的叶片,分别存在表面质量差、加工效率低的缺点。增材制造技术为制造出几何精度高、表面质量好的叶片提供了技术条件。另外还可将点阵夹芯结构与自由曲面结构相结合,实现复杂曲面轻量化目的。

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以及与此类似的空间自由曲面多孔结构,例如Fig.11,一种薄壁管状燃烧室。

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