3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉秀娟 袁蔓霖

摘?要：本文介紹了3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念、特點(diǎn)、作用以及其在各行各業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀。并通過(guò)歸納總結(jié)其目前的應(yīng)用特點(diǎn)和方式方法，提煉出了幾種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思路，為推廣3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：3D打印;一體化設(shè)計(jì);產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1?3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

3d打印一體化結(jié)構(gòu)是一種具有代表性的為增材制造而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)[1]。3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“瘦身”，減少部件數(shù)量和功能與結(jié)構(gòu)的集成。它是一種以增材制造技術(shù)為主導(dǎo)的主動(dòng)設(shè)計(jì)思維方式，在設(shè)計(jì)之初，以考慮產(chǎn)品的功能性為主，而不用花費(fèi)過(guò)多的精力去考慮結(jié)構(gòu)裝配的問(wèn)題，遵循這種方法，可以為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供創(chuàng)新性的思路。

3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜部件的一體化制造，這為零部件設(shè)計(jì)帶來(lái)了優(yōu)化的空間，設(shè)計(jì)師可以嘗試將原本需要通過(guò)多個(gè)組件裝配的復(fù)雜部件，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。這種方式不僅實(shí)現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu)，還能夠避免原始多個(gè)零件組合時(shí)存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等），也可以幫助設(shè)計(jì)者突破束縛實(shí)現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)，存在的痛點(diǎn)包括如何獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀，如何將最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀與最優(yōu)的產(chǎn)品性能相結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)等。尤其是針對(duì)3d打印的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)工程師需要突破以往通過(guò)鑄造、壓鑄、機(jī)械加工制造所帶來(lái)的對(duì)自身思維的束縛，重新考慮如何利用3d打印技術(shù)，以增材制造的思維去設(shè)計(jì)，這個(gè)過(guò)程是充滿挑戰(zhàn)和無(wú)限可能性的。突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維的限制是一個(gè)需要用戶與3D打印企業(yè)長(zhǎng)期共同努力的過(guò)程。除此之外，增材制造軟件的應(yīng)用也是推動(dòng)增材制造思維的力量。

2?3d打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，其對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并不敏感，也就是說(shuō)3D打印適合制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，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)。3d打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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，可以使零件一體化，節(jié)省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機(jī)構(gòu)，其在發(fā)揮3D打印優(yōu)點(diǎn)方面，起著舉足輕重的作用。下面通過(guò)幾個(gè)應(yīng)用案例來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下其應(yīng)用現(xiàn)狀：

在航空航天領(lǐng)域，GE?公司把?GE?Catalyst?渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中的855個(gè)單獨(dú)的部件通過(guò)增材制造技術(shù)組合成了12個(gè)部件[2];法國(guó)賽峰集團(tuán)對(duì)其一款發(fā)電機(jī)的外殼進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，把過(guò)去由多個(gè)復(fù)雜加工零件組裝成的部件轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)成一個(gè)功能集成的3D打印電機(jī)外殼，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的整體零件數(shù)量和制造時(shí)間大大縮減[3]。中國(guó)航天科技集團(tuán)也采用3D打印技術(shù)成功研制出了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化噴注器關(guān)鍵部件。噴注器由底座和噴嘴組合而成，原先采用的“機(jī)加噴嘴+分體焊接”制造方案，工序繁多、制造周期長(zhǎng)。而且，由于噴注器組成零件較多，焊接過(guò)程中，每條焊縫都有可能存在潛在的質(zhì)量隱患和風(fēng)險(xiǎn)。但是，采用3D打印技術(shù)，可以整體制造噴注器，一次打印成形，減少了部件數(shù)量及加工工序，制造周期大大縮短，生產(chǎn)效率大幅度提升。而且，由于少了中間的焊接工序，產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性也大大提高[4]。

在汽車(chē)領(lǐng)域，通用對(duì)一款汽車(chē)座椅支架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，其在實(shí)現(xiàn)了輕量化的同時(shí)，還通過(guò)使用3D打印一體化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，將原來(lái)的多個(gè)零部件合為一體，使得供應(yīng)鏈壓縮和組裝成本降低，從而大大縮減了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程和開(kāi)發(fā)費(fèi)用[5];保時(shí)捷借助粉末床選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)為911?GT2?RS型雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的活塞進(jìn)行了改進(jìn)，其通過(guò)采用功能集成的設(shè)計(jì)，把冷卻管道引入到3d打印活塞上，流經(jīng)管道的冷卻油既有助于將活塞密封至氣缸活塞環(huán)后的關(guān)鍵區(qū)域，又可以將活塞溫度降低20攝氏度[6]。

不僅僅是在航空航天和汽車(chē)領(lǐng)域，在機(jī)床零部件制造、消費(fèi)品等多個(gè)領(lǐng)域也都有嘗試借助3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化零件的案例。比如，Innogrind公司利用3D打印造型自由的優(yōu)勢(shì)，將用于磨削設(shè)備的鈦金屬冷卻液噴嘴進(jìn)行了功能集成的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把原來(lái)的多個(gè)獨(dú)立組件組裝而成的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)緊湊的一體式零件[7]。同樣，家用、商用攪拌機(jī)制造商Vitamix?在制造商用攪拌機(jī)噴嘴時(shí)也嘗試使用了3D打印技術(shù)，其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化后將噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化成一個(gè)沒(méi)有裝配要求的、單一的、功能集成的零件。優(yōu)化后的一體化噴嘴具有300微米的孔和復(fù)雜的微流體通道結(jié)構(gòu)，使用材料減少了30%，制造的手工勞動(dòng)減少了55%，噴嘴的成本降低約33%，新噴嘴的耐用性提高了10倍以上[8]。

由此可見(jiàn)，3D打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在各行各業(yè)的最終零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用日益豐富，但是，3D打印一體化結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)實(shí)際上并不是簡(jiǎn)單的照搬傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，而是利用增材制造設(shè)計(jì)的規(guī)則尋求設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，使產(chǎn)品變得更加緊湊、輕量和高效。

3?3d打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路分析

從上節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀我們可以看出，3d打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)具有產(chǎn)品輕量化實(shí)現(xiàn)瘦身、減少產(chǎn)品組裝提升效率和產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)的集成化等應(yīng)用價(jià)值和意義，其已經(jīng)在一系列行業(yè)里得到了廣泛運(yùn)用。在接下來(lái)的時(shí)間里，隨著3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其勢(shì)必驅(qū)動(dòng)相關(guān)的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)技術(shù)不斷迭代、進(jìn)步，加速產(chǎn)品的創(chuàng)新和更新?lián)Q代。所以，為了促進(jìn)創(chuàng)新，形成更優(yōu)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，在如今的設(shè)計(jì)和增材制造領(lǐng)域總結(jié)設(shè)計(jì)思路、探索各種可能顯得尤為重要。下面我們基于目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)3d打印一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)提煉出以下幾個(gè)設(shè)計(jì)思路。

3.1?原不同功能部件合而為一

圖1是采用原不同功能部件合而為一設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)打印出的一體式新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭上的核心部件，其在燃燒過(guò)程中，燃燒室喉部燃燒溫度會(huì)高達(dá)3500℃，內(nèi)壁溫度也會(huì)超過(guò)?1000℃。所以為了防止材料失效，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上會(huì)設(shè)計(jì)再生冷卻管道，來(lái)降低燃燒室的溫度和實(shí)現(xiàn)熱量“再生”。其冷卻管道傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是通過(guò)在毛坯上鉆孔后再通過(guò)多個(gè)繁瑣的密封工序后實(shí)現(xiàn)的，而且，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于受到傳統(tǒng)制造手段的制約，燃燒室的冷卻效率較低。然而，借助選區(qū)激光熔化技術(shù)來(lái)制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能結(jié)構(gòu)的一體化制造。與傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行零件單獨(dú)設(shè)計(jì)然后組裝的形式不同，通過(guò)3d打印一體化設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以將燃燒室和表面通道等多個(gè)功能組件自主集成到了一個(gè)結(jié)構(gòu)中，并通過(guò)3d打印技術(shù)一次成型，這種簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)不僅仍然滿足其性能要求，而且還可以減輕重量并提高散熱效率。