3D-printen heeft veel voordelen, het vermogen om complexe structurele onderdelen te produceren met onconventionele concepten is het grootste kenmerk, dat de toepassing van materialen aanzienlijk kan verminderen en het gewicht van onderdelen kan verminderen terwijl hun sterkte wordt gewaarborgd. Het structurele ontwerp van onderdelen speelt een cruciale rol bij het volledig benutten van de voordelen van 3D-printen, wat vereist dat we het traditionele ontwerpconcept doorbreken en onze verbeeldingskracht en creativiteit ten volle spelen.
Verschillende ontwerpideeën voor 3D-printonderdelen worden aanbevolen.
1. Met het oog op lichtgewicht
Lichtgewicht ontwerpvereisten vereisen topologische optimalisatie van onderdelen in de constructie. Het voordeel van topologie-optimalisatie is dat het nog steeds kan voldoen aan de lichtgewicht ontwerpvereisten van onderdelen terwijl de hoeveelheid materiaal wordt verminderd. 3D-printen is de meest geschikte voorbereidingsmethode voor topologie-optimalisatie van complexe structurele ontwerpen. Dit is van groot belang in de ruimtevaart en kan het gewicht van het vliegtuig aanzienlijk verminderen. Als we de snelheidsrembeugel als voorbeeld nemen, is het gewicht van de beugel van titaniumlegering vervaardigd door traditionele technologie 430,3 g, en het gewicht is met 22 procent verminderd na het structurele optimalisatieontwerp.
Momenteel zijn de meest gebruikte lichtgewicht constructies als volgt:
●Truss/stijve framestructuur
De stijve framestructuur bestaat uit enkele dunne staven die zijn verbonden door enkele knooppunten. Het kan voldoen aan de vereiste fysieke sterkte, krachtstabiliteit en zelfbalancerende vereisten, terwijl het materiaal bespaart en printvereisten realiseert.
De truss-structuur is gemaakt van Al-legering door middel van 3D-printen. Het totale gewicht is 35 procent lichter dan bij traditionele fabricage en de stijfheid is met 40 procent verhoogd. Bovendien is er een huidstijve structuur afgeleid van de truss-structuur, dat wil zeggen, het buitenoppervlak is een dunwandige structuur en het binnenste is een scharnierend element. Deze structuur kan worden belichaamd in de vorm van dunwandige en scharnierende steunstaven in 3D-printtechnologie.
●Lattice sandwichstructuur
Het kenmerk van de roostersandwichstructuur in het proces van gewichtsvermindering is om de structuur te optimaliseren en tegelijkertijd voldoende sterkte van het materiaal te garanderen. In de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt de rooster-sandwichstructuur vaak gebruikt om verschillende wandpanelen te maken.
Het materiaal van het smeersysteem van de vliegtuigmotor is een Ti-6Al-4V olie- en gasafscheider. Het werkingsprincipe is om het gas in de olieretour te scheiden. De porositeit van deze roosterstructuur is maar liefst 95 procent en de dichtheid wordt verlaagd tot 0.5g/cm2 zodat wanneer het olie- en gasmengsel erdoorheen gaat, de kleine oliedruppeltjes worden geadsorbeerd in de afscheider. Rolls-Royce gebruikte deze structuur om een scheidingsefficiëntie van olie en gas te behalen die wel 99 procent bedroeg.
Het probleem met deze structuur is dat het niet-gesmolten metaalpoeder aan het frame hecht en moeilijk te verwijderen is tijdens het fabricageproces.
●Holle structuur
De holle structuur is dat de schaal hol is in de dunne wand of dat er een eenvoudige stutstructuur aan de binnenkant wordt toegevoegd. Het nadeel van deze structuur is dat deze interne ondersteuning vereist en dat de ondersteuning moeilijk of onmogelijk te verwijderen is.
2. Met het oog op biocompatibiliteit:
Poreuze en cellulaire structuren in medische implantaten vereisen doorlopende structuren die botgroei en celmigratie vergemakkelijken. Tegelijkertijd zijn de mechanische eigenschappen van het implantaat gegarandeerd in overeenstemming met de echte botstructuur om het fenomeen "spanningsafscherming" veroorzaakt door de hoge elasticiteitsmodulus van het metaal te voorkomen. Het is noodzakelijk om de unieke poreuze structuur / celstructuur van 3D-printen te ontwerpen en te vervaardigen en het printproces te voltooien na het ontwerpen van het type, de poriegrootte, de poriewanddikte en de porositeit volgens de behoeften.
●Poreuze structuur/celstructuur
De paper "Application of Powder Bed Fusion Technology in Medical Implant Fabrication" introduceert vier soorten poreuze structuur/celstructuur-eenheden, die qua structuur vergelijkbaar zijn met een sandwichstructuur met roosters om lichtgewichtvereisten te bereiken. Maar het doel is anders, het doel is ervoor te zorgen dat het biologische implantaat dat is samengesteld uit structurele eenheden een goede biocompatibiliteit heeft. Door biologische experimenten is bewezen dat dit structurele implantaat een goede biocompatibiliteit heeft en dat een grote hoeveelheid botweefsel in de poriestructuur groeit.
3. Andere complexe structuren
●Ruimte speciaal gevormde pijpleidingstructuur
Het traditionele productieproces van speciaal gevormde pijpleidingen in de ruimte is spuitgieten, gieten, enz. Naast de hoge productiekosten en de lange productiecyclus, is het traditionele proces moeilijk om met succes de complexe spline-curve voor de pijpleiding voor te bereiden. Conformal cooling-technologie combineert het maken van matrijzen met 3D-printen om de manier op te lossen waarop de complexe vormen van ruimtebuizen worden gevormd.
●Geïntegreerde complexe structuur
De geïntegreerde complexe structuur is verder onderverdeeld in het statische mechanisme en het dynamische mechanisme. Onder hen is het beroemdste ontwerp van het statische mechanisme de brandstofinjector van GE. De kenmerken van het dynamische integratiemechanisme zijn dat het montagevrij is en de dynamische verbinding kan realiseren. Traditionele mechanische componenten moeten elk afzonderlijk stuk stap voor stap printen en vervolgens het enkele stuk monteren. 3D-printen kan montagestappen besparen en direct een montagevrij algemeen mechanisme verkrijgen. Typische vertegenwoordiger - kruiskoppeling.
●Ruimte vrije vorm oppervlaktestructuur
Freeform-structuren zijn moeilijk of onmogelijk te bewerken met traditionele methoden.
Motorbladen zijn bijvoorbeeld typische vertegenwoordigers van dergelijke dunwandige en complexe vrije-vormoppervlakken. Bladen die zijn vervaardigd met traditionele gietmethoden en CNC-bewerkingstechnieken hebben de nadelen van respectievelijk een slechte oppervlaktekwaliteit en een lage verwerkingsefficiëntie. Additieve fabricagetechnologie biedt technische voorwaarden voor de fabricage van bladen met een hoge geometrische nauwkeurigheid en een goede oppervlaktekwaliteit. Bovendien kan de rooster-sandwichstructuur worden gecombineerd met de vrije-vorm oppervlaktestructuur om het doel van lichtgewicht complexe oppervlakken te bereiken.