3D打印有很多優(yōu)點，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，可以使零件在保證其強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)計在發(fā)揮3D打印優(yōu)點起著舉足輕重的作用，這需要我們打破傳統(tǒng)設(shè)計理念，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。本文結(jié)合現(xiàn)有的資料報道和業(yè)內(nèi)一些工程師的經(jīng)驗為您推薦幾種3D打印零件設(shè)計理念。
 
一．以輕量化為目的
輕量化的設(shè)計要求就需要零件在結(jié)構(gòu)上進行拓撲優(yōu)化。拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)點在于在減少材料用量的同時仍可滿足零件輕量化設(shè)計要求。3D打印是拓撲優(yōu)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計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430.3g，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后重量減輕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)是由一些細桿通過一些節(jié)點相連而成。能在節(jié)省材料、實現(xiàn)打印要求的同時，滿足所需的物理強度、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。
●點陣夾芯結(jié)構(gòu)
點陣夾芯結(jié)構(gòu)在減重過程的特點在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時亦能保證材料足夠的強度。在航空航天工業(yè)中, 點陣夾芯結(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為一種點陣夾芯結(jié)構(gòu)的減震梁。

 點陣結(jié)構(gòu)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(fā)動機潤油系統(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95%，致密度降低到0.5g/cm2使得油氣混合物經(jīng)過時，小油滴被吸附于分離器內(nèi)。Rolls-Royce公司使用這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了油氣分離效率高達99%。
這種結(jié)構(gòu)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。

 ●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)部添加簡單支柱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)缺點在于需要內(nèi)部支撐，且支撐難去除或無法去除。

  
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和細胞遷移的貫通式開孔結(jié)構(gòu)。同時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)計制造，根據(jù)需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙率進行設(shè)計后完成打印過程。
●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)造與為實現(xiàn)輕量化要求的點陣夾芯結(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)過生物體實驗證明，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的生產(chǎn)周期外，對于管道需要的復(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)合來解決空間管道復(fù)雜形狀成型的方式。
圖7為Linear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)機構(gòu)和動態(tài)機構(gòu)。其中靜態(tài)機構(gòu)設(shè)計中最有名的當(dāng)屬GE的噴油嘴。動態(tài)一體化機構(gòu)特點在于免組裝、可實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)接，傳統(tǒng)機械構(gòu)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(jié)省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機構(gòu)。典型代表——萬向節(jié)，如圖8所示。

 圖9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動惡劣的環(huán)境。
                                         

在航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)還包括發(fā)動機或?qū)椨眯⌒桶l(fā)動機整體葉盤、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)方法很難或者無法加工的。
例如發(fā)動機葉片是這種薄壁復(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。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。另外還可將點陣夾芯結(jié)構(gòu)與自由曲面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(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。