3D打印在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張旭苑

(上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人(集團(tuán))有限公司，上海 200120)

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)在產(chǎn)品的更新迭代速度也越來越快，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者而言，產(chǎn)品驗(yàn)證時(shí)采用一種相比傳統(tǒng)加工方式更加快速、便捷的加工方式是十分必要的。3D打印作為一種新興技術(shù)，始于20世紀(jì)80年代，并在最近幾年間得到迅猛發(fā)展，目前，3D打印技術(shù)已逐漸走向成熟，新型的加工方式得到越來越多設(shè)計(jì)師的認(rèn)可，科學(xué)合理地使用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工可以有效地降低企業(yè)制造成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭力[1]。

3D打印與傳統(tǒng)加工方式大不相同，本文主要從中小型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，分析3D打印與其他加工方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為設(shè)計(jì)師如何使用3D打印技術(shù)提供參考。

1 3D打印技術(shù)原理簡介

3D打印是一種新型的增材快速成型技術(shù)。從技術(shù)原理上來講，3D打印主要分為以下3個(gè)步驟：①需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)出待打印產(chǎn)品的三維模型，確定其形狀和尺寸等；②將3D打印機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，3D打印機(jī)就會(huì)對(duì)已經(jīng)建立好的三維圖形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分割；③將已經(jīng)分割好的平面信息由3D打印機(jī)自動(dòng)按照打印路線進(jìn)行逐層打印，最后成型[2]。

從材料固化方式上來分，目前市面上已有的技術(shù)原理多種多樣，本文簡述三種在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證中應(yīng)用廣泛的3D的打印技術(shù)：

(1)熔融沉積制造技術(shù)(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)：該技術(shù)將固體材質(zhì)(常用ABS與尼龍)在噴頭內(nèi)熱熔后擠出，擠出后的材料在相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的保證下到達(dá)對(duì)應(yīng)位置并迅速固化，通過噴頭的相對(duì)移動(dòng)完成每層平面的材料堆積。

(2)光固化技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus，SLA)：該技術(shù)使用的材料為液態(tài)光敏樹脂(以下簡稱光敏樹脂)，通過光敏樹脂在特定波長范圍內(nèi)的紫外光下會(huì)迅速固化的原理，以層為單位，隨著底層平臺(tái)的升降，逐層固化，從而完成零件的加工。

(3)選擇性激光熔融技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM):該技術(shù)使用的材料為金屬粉末，先在平臺(tái)上均勻地鋪一層金屬粉末，再通過大功率的激光束對(duì)粉末的輪廓位置進(jìn)行燒結(jié)，通過層層粉末鋪灑并對(duì)外輪廓燒結(jié)，完成零件的加工。

2 3D打印在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用

在傳統(tǒng)加工方式下，設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)件，多采用機(jī)械切削加工(以下簡稱機(jī)加工)的方式，遇到形狀復(fù)雜的零件，需采用四軸、五軸加工中心才能加工出來，由于涉及到機(jī)床的使用與程序編寫，每一次設(shè)計(jì)更改都會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，導(dǎo)致同一批次的加工件越少，相對(duì)的平均加工成本也會(huì)越高，總是造成樣件價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后期批量成品價(jià)格的狀況，而且對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，甚至存在著無法加工的情況。而3D打印技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，一般來講，3D打印由于各3D打印機(jī)本身尺寸、結(jié)構(gòu)限制，只對(duì)成形件的大小尺寸有要求，而內(nèi)部的卡扣、倒扣結(jié)構(gòu)，以及復(fù)雜的外觀曲面都不會(huì)成為制約零件成形的因素，且由于3D打印機(jī)軟件自動(dòng)切片便捷、原材料利用率高等優(yōu)勢(shì)，使得相同的產(chǎn)品價(jià)格遠(yuǎn)低于機(jī)加工產(chǎn)品，以常規(guī)使用的SLA技術(shù)為例，零件的3D打印加工價(jià)格普遍要低于機(jī)加工一倍以上。

對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中可以更加靈活，設(shè)計(jì)思路、理念基本不再局限于加工本身。而且整體的價(jià)格以及加工時(shí)效在某種程度上也都優(yōu)于機(jī)加工，便于設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品研發(fā)初期以更短的時(shí)間拿到實(shí)物樣品，降低研發(fā)過程中的加工費(fèi)用。

3 關(guān)于3D打印零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 選用合適的3D打印技術(shù)

本文主要分析FDM、SLA、SLM這三種生產(chǎn)中常用到的3D打印技術(shù)，部分參數(shù)的對(duì)比如表1所示。

表1 工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)常規(guī)性能對(duì)比表

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要確定設(shè)計(jì)零件的尺寸，雖然工業(yè)級(jí)FDM和SLA的成型尺寸都有近1 m，但是一般來講，3D打印大件的強(qiáng)度不一定有良好的保證，而且3D打印零件過大成本也會(huì)急劇上升，通常建議設(shè)計(jì)者將零件尺寸控制在200 mm×200 mm×200 mm以內(nèi)，過長零件若無特殊要求，可以考慮中間使用標(biāo)準(zhǔn)型材或其他已有物料機(jī)加工，兩側(cè)或結(jié)構(gòu)復(fù)雜位置使用3D打印技術(shù)，打印零件后整體裝配。

在確定零件尺寸后，可根據(jù)零件在設(shè)計(jì)階段的主要作用來選擇適當(dāng)?shù)募庸し绞?。若是制作樣件用來進(jìn)行外觀驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)配合、尺寸驗(yàn)證，無其他特殊要求，建議使用SLA技術(shù)的光敏樹脂，SLA是3D打印中小型零部件應(yīng)用最廣的技術(shù)，此技術(shù)目前已非常成熟，且由于尺寸精度高、穩(wěn)定性好、零件表面光滑、便于后期著色、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，深受設(shè)計(jì)者的喜愛；另外，F(xiàn)DM技術(shù)中的ABS材質(zhì)打印，在優(yōu)秀的工業(yè)級(jí)機(jī)器上，產(chǎn)品精度不低于SLA，且零件的力學(xué)性能和穩(wěn)定性均優(yōu)于SLA，但加工成本較高，一般來說，基本與機(jī)加工價(jià)格持平，目前而言，若樣品的主要作用是結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，性價(jià)比不是很高。若是制作樣品對(duì)材料韌性有較高要求，但對(duì)產(chǎn)品外觀、表面粗糙度無要求，建議使用FDM技術(shù)中的尼龍材質(zhì)，此材質(zhì)韌性極佳，但由于材質(zhì)本身原因，加工件表面顆粒感較強(qiáng)且加工尺寸不好把控。若是需要形狀復(fù)雜且尺寸較小的金屬材料，可以使用SLM技術(shù)，此技術(shù)可以制造機(jī)加工無法加工出的金屬形狀，但是這種技術(shù)燒結(jié)而成的材料一般表面比較粗糙，在Ra11左右，需要配合后續(xù)機(jī)械加工或表面處理，加工成本相對(duì)于FDM與SLA偏高。

以上是常應(yīng)用于設(shè)計(jì)中的幾種情況，如果設(shè)計(jì)零件需要多種顏色且不易噴涂，可以考慮彩色3D打?。蝗绻O(shè)計(jì)零件需要打印軟質(zhì)材料，可以考慮使用FDM技術(shù)加工TPU材質(zhì)，本文不再一一贅述。

3.2 基于3D打印加工方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)與機(jī)加工方式在技術(shù)手段上不盡相同，為了更好地使用該技術(shù)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該從設(shè)計(jì)目的出發(fā)、考慮3D打印工藝的實(shí)際加工狀況，做出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

首先，機(jī)加工零件的尺寸一般是通過二維圖紙來表示并指導(dǎo)生產(chǎn)的，零件圖紙尺寸的大小、公差都有著較為嚴(yán)格的控制，也會(huì)對(duì)零件最后的加工產(chǎn)生直接影響；而3D打印技術(shù)是基于三維模型，直接交由電腦分析加工的過程，所以三維模型上所繪制的尺寸在加工過程中會(huì)具有更加重要的作用，在此加工方式中，可以沒有二維圖紙，只用三維模型來加工。

其次，由于加工工藝的特殊性，產(chǎn)品尺寸在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該按照雙邊相等公差的原則預(yù)留在三維模型上，無法使用基孔制、基軸制等單邊公差設(shè)計(jì)理念。而且尺寸公差本身比較固定，以市面上普遍應(yīng)用的SLA為例，小型零件的尺寸公差基本就是±0.1 mm，若零部件在配合處需要比較穩(wěn)定的配合，可以考慮使用小斜面、小平面、定位孔等方式配合，在不影響產(chǎn)品性能和成本的情況下，以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來消除加工過程中產(chǎn)生的誤差。

另外，在3D打印中，零件的壁厚也是需要格外關(guān)注的問題。在3D打印中，零部件整體壁厚應(yīng)在1.5 mm以上，以獲得良好的機(jī)械性能，一般以2 mm為佳，若壁厚不足，建議在部分位置增加筋、肋等結(jié)構(gòu)；在非主要結(jié)構(gòu)處，一般建議壁厚不低于1.1 mm；在樣件表面有浮凸或凹陷字體或類似結(jié)構(gòu)處，建議字體的最小寬度為0.3 mm，一般以0.4 mm或0.5 mm為佳；若零件需要承受外部載荷，建議承載位置壁厚不小于3 mm，具體的壁厚以承載力大小而調(diào)整。3D打印對(duì)過厚的壁厚不像注塑件那樣有嚴(yán)格要求，但考慮產(chǎn)品質(zhì)量與加工成本，壁厚均勻的零件，壁厚一般不大于5 mm；壁厚不均勻處，局部一般不大于10 mm，且3D打印的零件不建議用來承受急劇的沖擊載荷以及長期的交變載荷。

最后，在3D打印中，就算是同種加工方式，使用的材料不同、使用的機(jī)器不同，均會(huì)對(duì)最后產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不同影響。現(xiàn)階段，工業(yè)用3D打印多是用于對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、力學(xué)性能要求均不甚嚴(yán)格的零件，若對(duì)產(chǎn)品某一方面的要求超出本文所述，需根據(jù)具體的打印技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合分析，確定設(shè)計(jì)與加工方案。

3.3 3D打印零件的表面處理

針對(duì)3D打印技術(shù)與材料的不同，表面處理也有著多種不同的方式。對(duì)于FDM打印出的零件，由于FDM本身可以使用的材料種類、顏色均極為豐富，所以在加工階段即可選擇合適的材料，制造出不同顏色的零部件，故一般使用FDM成型的材料，不建議再做表面處理。對(duì)于SLA打印出的零件，分為白色光敏樹脂件與透明光敏樹脂件，其中，白色光敏樹脂件常做噴漆處理，根據(jù)需求可以做高亮、啞光等各種噴漆效果，不過光敏樹脂對(duì)于漆層的結(jié)合能力不如機(jī)加工零件，尤其是高亮漆，漆層容易被硬物劃落，故一般使用中建議噴啞光漆；對(duì)于透明光敏樹脂件，3D打印成型后，表面粗糙，均需進(jìn)行表面打磨拋光，在打磨后表面粗糙度小于Ra0.8，可以獲得極為光滑的表面外觀，此外，透明光敏樹脂也可通過噴漆處理賦予其他顏色，外觀效果極佳。對(duì)于SLM技術(shù)成型的零件，鋁合金材料可以通過陽極氧化獲得常規(guī)鋁制件的表面外觀；而對(duì)于不銹鋼等其他金屬，成品件表面較為粗糙，可以通過拋光來使其表面光滑，或者在成型后局部再使用機(jī)加工進(jìn)行二次加工處理。

4 3D打印的局限性

現(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在為我們提供簡捷、快速、自由加工方式的同時(shí)，也有很多局限性是無法忽視的，需要我們理性看待。

對(duì)于3D打印來說，目前零件的長期穩(wěn)定性和力學(xué)性能是其最大的問題，常用的FDM與SLA技術(shù)制造出的零件普遍呈脆性，在突變載荷或交變載荷的作用下易開裂損壞；而且，隨著使用時(shí)間的延長，薄壁零件的變形、翹曲現(xiàn)象也會(huì)顯得更為嚴(yán)重。對(duì)于SLA技術(shù)而言，白色光敏樹脂在成型后若長期暴露于陽光或紫外光中，零件會(huì)漸漸變成淡黃色，對(duì)其外觀也有極大影響。相對(duì)而言，SLM技術(shù)由于是金屬粉末燒結(jié)成型，零件的穩(wěn)定性和力學(xué)性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于另外兩種技術(shù)，但是，金屬粉末燒結(jié)而成的零件與相同材質(zhì)的鑄件、機(jī)加工零件相比，綜合性能方面仍有一定差距。

另外，3D打印的產(chǎn)品精度以及表面質(zhì)量也仍有很大優(yōu)化、進(jìn)步的空間，現(xiàn)階段，3D打印的零件，不論是精度、粗糙度，還是產(chǎn)品整體的表面質(zhì)感，都與機(jī)加工、模具注塑工藝等傳統(tǒng)工藝加工制造的零件有一定差異，故目前3D打印的零件主要還是用來滿足設(shè)計(jì)者在樣品設(shè)計(jì)階段的考量，以及小量生產(chǎn)、多次迭代的產(chǎn)品加工，無法當(dāng)作一種正式生產(chǎn)工藝對(duì)零件進(jìn)行加工。

5 3D打印未來的發(fā)展趨勢(shì)

3D打印與機(jī)加工方式各有自己的優(yōu)點(diǎn)，比如目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期采用3D打印的方式進(jìn)行驗(yàn)證，在正式批量化生產(chǎn)前再使用機(jī)加工的方式確認(rèn)；而在SLM加工中，也常采用3D打印與機(jī)加工相結(jié)合的方式來制作零件。靈活應(yīng)用兩種加工方式，可以很好地將3D打印和機(jī)加工中的優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合、互補(bǔ)，相信在未來，這種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的加工方式一定會(huì)在更多3D打印技術(shù)中得到應(yīng)用，甚至催發(fā)另一種新型的加工工藝。

目前，3D打印在加工生產(chǎn)中仍有著各種各樣的不足，但是瑕不掩瑜，3D打印技術(shù)還處在飛速的發(fā)展階段，作為一種快速、便捷的新型加工方式，在未來制造技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展的過程中[3]，3D打印技術(shù)一定會(huì)有著更加廣闊的發(fā)展空間。