3D打印一體化結構設計在產品設計中的應用研究

劉秀娟 袁蔓霖

摘?要：本文介紹了3D打印一體化結構設計的概念、特點、作用以及其在各行各業的應用現狀。并通過歸納總結其目前的應用特點和方式方法，提煉出了幾種常見的設計思路，為推廣3D打印一體化結構設計的應用提供一定的參考價值和借鑒作用。

關鍵詞：3D打印;一體化設計;產品設計

1?3D打印一體化結構設計簡介

3d打印一體化結構是一種具有代表性的為增材制造而設計的結構[1]。3D打印一體化結構設計可以實現產品“瘦身”，減少部件數量和功能與結構的集成。它是一種以增材制造技術為主導的主動設計思維方式，在設計之初，以考慮產品的功能性為主，而不用花費過多的精力去考慮結構裝配的問題，遵循這種方法，可以為產品的開發提供創新性的思路。

3D打印技術可以實現復雜部件的一體化制造，這為零部件設計帶來了優化的空間，設計師可以嘗試將原本需要通過多個組件裝配的復雜部件，進行一體化設計。這種方式不僅實現了零件的整體化結構，還能夠避免原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現功能最優化設計。

在應用中，設計工程師會遇到很多挑戰，存在的痛點包括如何獲得最優的結構形狀，如何將最優的結構形狀與最優的產品性能相結合起來設計等。尤其是針對3d打印的技術特點，設計工程師需要突破以往通過鑄造、壓鑄、機械加工制造所帶來的對自身思維的束縛，重新考慮如何利用3d打印技術，以增材制造的思維去設計，這個過程是充滿挑戰和無限可能性的。突破傳統設計思維的限制是一個需要用戶與3D打印企業長期共同努力的過程。除此之外，增材制造軟件的應用也是推動增材制造思維的力量。

2?3d打印一體化結構設計的應用現狀

3D打印無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，其對設計的復雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復雜形狀的產品，能夠生產出超常規理念的復雜結構零件是他的最大特點。3d打印一體化結構設計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，可以使零件一體化，節省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機構，其在發揮3D打印優點方面，起著舉足輕重的作用。下面通過幾個應用案例來簡單介紹一下其應用現狀：

在航空航天領域，GE?公司把?GE?Catalyst?渦槳發動機中的855個單獨的部件通過增材制造技術組合成了12個部件[2];法國賽峰集團對其一款發電機的外殼進行了設計優化，把過去由多個復雜加工零件組裝成的部件轉變設計成一個功能集成的3D打印電機外殼，使得發動機的整體零件數量和制造時間大大縮減[3]。中國航天科技集團也采用3D打印技術成功研制出了火箭發動機的一體化噴注器關鍵部件。噴注器由底座和噴嘴組合而成，原先采用的“機加噴嘴+分體焊接”制造方案，工序繁多、制造周期長。而且，由于噴注器組成零件較多，焊接過程中，每條焊縫都有可能存在潛在的質量隱患和風險。但是，采用3D打印技術，可以整體制造噴注器，一次打印成形，減少了部件數量及加工工序，制造周期大大縮短，生產效率大幅度提升。而且，由于少了中間的焊接工序，產品質量及可靠性也大大提高[4]。

在汽車領域，通用對一款汽車座椅支架進行了重新設計，其在實現了輕量化的同時，還通過使用3D打印一體化設計制造技術，將原來的多個零部件合為一體，使得供應鏈壓縮和組裝成本降低，從而大大縮減了產品開發過程和開發費用[5];保時捷借助粉末床選區激光熔化3D打印技術為911?GT2?RS型雙渦輪增壓發動機生產的活塞進行了改進，其通過采用功能集成的設計，把冷卻管道引入到3d打印活塞上，流經管道的冷卻油既有助于將活塞密封至氣缸活塞環后的關鍵區域，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領域，在機床零部件制造、消費品等多個領域也都有嘗試借助3D打印技術實現設計制造一體化零件的案例。比如，Innogrind公司利用3D打印造型自由的優勢，將用于磨削設備的鈦金屬冷卻液噴嘴進行了功能集成的一體化結構設計，把原來的多個獨立組件組裝而成的噴嘴結構設計為一個緊湊的一體式零件[7]。同樣，家用、商用攪拌機制造商Vitamix?在制造商用攪拌機噴嘴時也嘗試使用了3D打印技術，其設計團隊經過多次設計迭代優化后將噴嘴設計優化成一個沒有裝配要求的、單一的、功能集成的零件。優化后的一體化噴嘴具有300微米的孔和復雜的微流體通道結構，使用材料減少了30%，制造的手工勞動減少了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，3D打印一體化結構設計技術在各行各業的最終零部件生產中的應用日益豐富，但是，3D打印一體化結構零件的設計實際上并不是簡單的照搬傳統的設計思路，而是利用增材制造設計的規則尋求設計的優化方案，使產品變得更加緊湊、輕量和高效。

3?3d打印一體化結構設計的設計思路分析

從上節的應用現狀我們可以看出，3d打印一體化結構設計技術具有產品輕量化實現瘦身、減少產品組裝提升效率和產品功能與結構的集成化等應用價值和意義，其已經在一系列行業里得到了廣泛運用。在接下來的時間里，隨著3D打印技術的廣泛應用，其勢必驅動相關的生產和設計技術不斷迭代、進步，加速產品的創新和更新換代。所以，為了促進創新，形成更優的產品開發流程，在如今的設計和增材制造領域總結設計思路、探索各種可能顯得尤為重要。下面我們基于目前的應用現狀，針對3d打印一體化結構設計總結提煉出以下幾個設計思路。

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計思路設計打印出的一體式新型火箭發動機。火箭發動機是火箭上的核心部件，其在燃燒過程中，燃燒室喉部燃燒溫度會高達3500℃，內壁溫度也會超過?1000℃。所以為了防止材料失效，火箭發動機上會設計再生冷卻管道，來降低燃燒室的溫度和實現熱量“再生”。其冷卻管道傳統的生產方式是通過在毛坯上鉆孔后再通過多個繁瑣的密封工序后實現的，而且，其結構設計由于受到傳統制造手段的制約，燃燒室的冷卻效率較低。然而，借助選區激光熔化技術來制造火箭發動機，就可以實現多個功能結構的一體化制造。與傳統火箭發動機需要進行零件單獨設計然后組裝的形式不同，通過3d打印一體化設計的發動機可以將燃燒室和表面通道等多個功能組件自主集成到了一個結構中，并通過3d打印技術一次成型，這種簡化設計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。