基于3D打印的機械零件輕量化設計與制造*

黃林琪，陳顯揚，陳韻律，安芬菊

（廣東海洋大學機械與動力工程學院， 廣東湛江 524088）

0 引言

3D打印技術和輕量化技術等先進技術的日益快速發展以及這兩項技術在機械工業領域的深入研究與應用，促進了輕量化3D 打印機械零件的研究[1]。由于傳統的機械零件受限制于設計生產方式不能做到效能最優，現在可以通過拓撲優化結合3D打印的方式取得零件更優化的材料分布，以較少的材料實現更佳的性能[2]。目前基于3D打印的輕量化方法主要包括2類：一類是根據切片輪廓內部掃描路徑實現輕量化；另一類是對模型進行輕量化建模[3]。前者相當于將模型內部挖空、內部網格化結構的一種方法[4]。目前研究表明，3D打印蜂窩狀結構的填充具有優良的抗壓、抗沖能力和吸能性能以及輕量化特性[5]。但采用此種方法輕量化后的模型仍存在一些難題[6]，例如是否違背現實的物理規律問題，在不同力的作用下能否保持原來的穩定狀態問題。后者輕量化建模通常基于模型的有限元分析，能夠較好地規避上述的難題[7]。但此方法也存在著拓撲優化后模型結構復雜，導致打印時突出或懸空部分需要的支撐多且復雜，打印完成后支撐不易拆卸的缺陷[8]。為了解決以上存在的問題，利用拓撲優化和3D打印相結合的技術，進行基于3D打印的機械零件輕量化設計與制作工藝的研究非常有必要。

1 機械零件輕量化設計

機械零件輕量化設計選用概念設計工具Altair Inspire，該軟件是一款拓撲優化及快速仿真的設計工具，可用于結構優化、有限元分析、運動分析和增材制造分析，研究結構高效型的概念設計[9]，有助于生產實際中大大降低成本、減少開發時間和物料消耗并減輕產品質量。下面依托概念設計工具Al?tair Inspire軟件進行機械零件的輕量化設計。

機械零件的輕量化設計研究對象選擇山地自行車結構部件，如圖1所示。圖中的箭頭所指示連接件，該連接件承受的主要載荷來減震器端和車架連接端。

圖1 山地自行車結構零部件

1.1 連接件的材料及載荷條件

（1）材料：ABS（楊氏模量2000 MPa、泊松比0.35 、密度1060 kg/m3、屈服應力45 MPa）。

（2）約束：中間孔位置約束，如圖2所示。

圖2 連接件約束及外部受載情況

（3）載荷條件：在實際山地自行車結構部件中，其外部實際受載情況如圖2 所示。圖中，位置1 為X正方向100 N；位置2 為X正方向100 N；位置3 為Z正方向100 N；位置4 為Z負方向100 N；位置5 為Y正方向100 N；位置6 為Y正方向100N。

1.2 連接件初始強度分析

使用概念設計工具Altair Inspire對連接件的原始模型進行分析處理，設定連接件原始模型分析材料為ABS，其材料性能參數如1.1節（1）所示，且根據實際要求添加載荷。

在添加文中1.1 節（3）所述的外部載荷后，對山地自行車支架部件模型進行初始強度分析評估，得出其原始模型質量為65.770 g（ABS），最大形變位移為0.7021 mm，如圖3（a）所示；最大米塞斯等效應力為10.91 MPa，如圖3（b）所示；最小安全系數為4.1，如圖3（c）所示。

圖3 初始強度分析結果

1.3 連接件拓撲優化、幾何重構與強度分析

利用概念設計工具Altair Inspire軟件對連接件進行拓撲優化和幾何重構，圖4所示為拓撲優化及幾何重構過程圖。首先指定設計空間和非設計空間（圖4（a））；以剛度最大為優化目標，質量和厚度作為設計約束，分析得到拓撲優化結果（圖4（b））；再對優化結果進行幾何重構（圖4（c））；獲得最終的輕量化設計模型，模型輸出（圖4（d））。

圖4 拓撲優化及幾何重構過程

考慮到拓撲優化的不同擬合方法的影響，采取了自動擬合以及手動擬合的方法分別進行強度（包括最大位移、最大應力、安全系數）分析對比，最后再對輕量化模型進行強度校核，分析評估后獲得分析結果，如圖5所示，確保零件的最大應力值不超過材料屈服應力。

根據圖5 可以得出，初始強度分析數據以及自動擬合與手動擬合強度分析數據對比如表1所示。

圖5 自動擬合與手動擬合輕量化模型強度分析結果對比

從表1 強度分析數據對比結果可以看出，山地自行車支架連接件在優化前的質量為65.770 g（材料ABS），通過輕量化設計之后的質量分別為30.145 g（自動擬合優化）、23.045 g（手動擬合優化）。相對于連接件初始強度分析結果，可以看出自動擬合減輕的質量較多，但最大米塞斯等效應力與最大形變位移的增大與最小安全系數的下降導致了連接件的性能整體下降；而手動擬合與之相反，連接件的性能整體提高，且減輕的質量更多。因此，為更加貼合輕量化設計3D打印的要求，采用了手動擬合優化的設計作為此次試驗的研究方法。

表1 強度分析數據對比

依據連接件初始的強度分析結果，其最大米塞斯等效應力10.91 MPa，最大位移0.7021 mm，最小安全系數1.8。輕量化設計采用手動擬合優化之后的連接件強度校核結果，其最大米塞斯等效應力8.16 MPa，最大位移0.5462 mm，最小安全系數5.5，質量23.045 g。經過計算，輕量化設計后的山地自行車支架連接件與優化前相比較，實現了64.96%的減重，部件的最大米塞斯等效應力為8.16 MPa，最小安全系數為5.5，不超過材料的屈服應力45 MPa，滿足實際的強度需求。

2 機械零件輕量化的3D打印制作

本研究試驗基于FDM工藝，以ABS為耗材，選用了太爾時代UP3003D 打印設備以及UP Studio3.0 為3D 模型切片參數分析軟件。以輕量化設計優化分析結果為前提，分別以原始模型、輕量化設計輸出模型以及以原始模型為主模型，輕量化設計輸出為子模型（子模型置于主模型內部）的結合模型3種切片形式展開3D打印制作。

2.1 模型打印方向選擇

模型打印方向是影響3D打印模型質量的重要因素，需根據壓力源調整打印方向，確保打印方向是朝減少某些區域中的應力集中方向進行的。結合零件的結構和造型，模型的打印方向可以確定為圖6所示4種情況，其中第1、2種擺放方式會導致模型重心高，分層后模型支撐多，底座面積小，打印時間長，這兩種打印方向不合理，故只考慮圖6 中3（側躺式）、4（平躺式）2種模型擺放方式。

圖6 打印方向選擇

以最大形變位移強度分析為前提，對于側躺式，支撐類型少，但支撐面積大、支撐高度高，必然導致打印時間過長；更重要的是，其層片方向與最大變形量方向垂直，層片間的剪切變形最大，最終打印模型易發生斷裂。相反，平躺式支撐類型多，但支撐面積小、高度低而且層片方向與最大變形量方向平行，層片間剪切變形為0。

綜上分析，以平躺式作為模型打印方向。

2.2 子模型設置

3D 打印中子模型的設置是提升模型綜合性能的有效方法，但目前應用較少。通常為節省3D 打印材料，打印模型不會選擇較高的填充比例，但這樣會導致打印模型某些部分的強度下降。為了解決這一問題，可以通過在主模型中設置子模型的方法來解決。即用不同于主模型的填充密度來設置子模型，這樣既能修改其局部填充比例以達到增強局部結構強度的效果，又能保持主模型是預想的填充密度來節省材料。

子模型的設置方法，首先設置連接件非設計空間即裝配孔（6 個受力孔、2 個約束孔）為3 種切片打印形式的默認子模型，局部填充比例盡可能高以此滿足載荷要求，如圖7（a）所示。對于以原始模型為主模型，輕量化設計輸出為子模型（子模型置于主模型內部）的結合模型，在打印此模型時相當于在主模型內部加固輕量化設計輸出模型部分，提高關鍵部分的強度，如圖7（b）所示。

圖7 子模型設置

2.3 支撐設計

3D 打印中支撐的設計影響著懸空部分的完整性及可靠性，有效的支撐結構設計至關重要。考慮到支撐是否方便去除以及模型打印件的表面質量等問題，支撐位置和支撐大小都是影響模型打印件質量的重要因素。由于連接件模型底部不是一個完整平面，所以模型底面與打印平臺不是貼合面，需要通過支撐全部撐起。此外在設置參數時將受力孔設置為子模型，且孔部分支撐需完全填充孔徑，連接件模型的支撐設計如圖8所示。

圖8 支撐設計

2.4 3D打印工藝參數設置

3D 打印工藝參數主要包括動態層厚、支撐角度、輪廓、填充密度、走絲速度、支撐粘合強度等[10]。連接件模型的3D打印工藝參數設置以噴頭直徑（0.4 mm）與打印質量為前提，再根據原始模型與優化模型切片組合分析及打印效果，優化模型層厚選取0.1～0.4 mm之間較為合適，考慮到打印時長和精度選取0.2 mm 作為打印層厚，調整容許最大層厚至0.4 mm，由于模型位置擺放是平躺式，考慮到圓孔外表面及模型曲面部分的表面質量，設置動態層厚的調整比例為3，設置底部、頂部路徑一致為0.4 mm，支撐角度為80°[11]，使支撐盡可能包覆外孔直徑以下的外表面，如圖9所示的支撐角度，這樣打印出來的孔外表面能更光滑過渡。

圖9 支撐角度

考慮到薄壁結構（裝配孔）和表面質量，輪廓設置為2 mm；填充密度設置為50%以增加其成品結構強度，支撐密度設置為20%以便于縮短打印時間和后面支撐的拆除。由于增加過大的填充密度，在走絲速度一定時，打印時間會有較大幅度上升。因此綜合考量選取30%填充密度，其他填充路徑參數保持默認狀態即可。

為了增加構件的機械強度，在打印速度調整方面將內部輪廓的走絲速度降低至30 mm/s，使上下兩層材料堆疊相對緊密一些。在此，因為降低走絲速度所帶來的打印時間增長可以通過加快中間部分的支撐和支撐路徑的走絲速度來進行相對補償，且在其他條件同等情況下，打印所耗時增加不多。經過支撐剝離粘合強度在測試后可知，粘合強度過低，支撐和模型及底座粘不住；粘合強度過高，支撐與模型難以拆除，因此在打印中考慮到底部接觸面方便處理且盡可能光滑，所選支撐粘合強度為50%。設置打印平臺預加熱，加強模型底座與平臺的粘合強度，防止翹邊現象的發生。

2.5 打印制作

打印平臺預熱后，噴頭開始升溫至280 ℃，打印機開始工作。首先打印出底座，其次打印支撐與實體，最后到打印出完整實體。例如在結合模型打印過程中，可以清楚的觀察到底座、支撐、模型、子模型的填充密度和模型輪廓等情況，模型各部分的填充密度差異顯而易見，結合圖10 所示，主模型填充、子模型填充、支撐填充有明顯不同，如圖中圈起部分其填充密度明顯大于其他部分。逐層打印完成后，將支撐進行拆除，而后對模型外表面進行打磨，最后再進行拋光處理。

圖10 結合模型打印過程

2.6 問題討論與模型分析

（1）噴嘴停止擠出絲材

在打印過程中，常出現噴嘴停止擠出絲材的問題，其原因是送絲電機的齒輪上有積聚物堵塞，如圖11所示。長時間打印導致粉塵、絲材碎屑等異物堆積，積聚物增多減少齒輪對絲材的摩擦力，導致噴嘴停止擠出絲材。解決方法是定期清理送絲電機的齒輪上絲材進給帶來的積聚物。

圖11 異物堵塞齒輪

（2）基底翹邊

打印時出現基底翹邊的問題，如圖12所示。翹邊現象受底板溫度、噴嘴高度、打印平臺水平度等因素影響。查閱文獻得知ABS 成型效果最佳的底板溫度為50 ℃[12]。解決基底翹邊的方法為設置底板溫度為50 ℃，調整噴嘴高度加大基底與平臺的附著力強度，校準打印平臺的水平度。

圖12 基底翹邊

（3）模型分析

通過不斷的3D打印制作，在不同的打印切片形式中選取了其中最優的模型，其中對模型進行稱重后分析評估得出：原始模型質量為65 g、輕量化設計輸出模型質量為26 g、子模型置于主模型內部的結合模型質量為40 g。經過計算，相對于原始模型，輕量化設計輸出模型實現了60%的減重，結合模型實現了38.46%的減重。雖然輕量化設計輸出模型減重更多，但其強度不能長時滿足實際載荷要求，經人為施加力后發生斷裂。圖13（a）～（c）分別為原始模型、輕量化模型、結合模型3D打印的實物圖。可以看出，輕量化模型實物鏤空部分較多，其打印過程中形成的支撐必然較多，而結合模型實物與原始模型實物外觀基本無差別，相對輕量化模型實物形成的支撐少得多。

圖13 打印的實物

3 結束語

依據輕量化設計發展的需求和3D打印機械結構零件的要求，采用了一種高效率的輕量化3D打印的設計方法，以山地自行車結構部件為例，在經過Altair Inspire對連接件的原始模型進行拓撲優化、幾何重構，機械零件輕量化的3D打印制作后，驗證了該方法的可行性。最終模型的優化結果實現了38.46%的減重，顯著降低了打印材料的消耗。同時輕量化3D打印的設計方法具有不改變模型主要結構、模型支撐容易去除、適用于多種類型打印機的突出優點，因此機械零件輕量化設計在3D打印制造領域有著巨大的應用潛力。