Der 3D-Druck hat viele Vorteile, die Fähigkeit, komplexe Strukturteile mit unkonventionellen Konzepten herzustellen, ist sein größtes Merkmal, das den Materialeinsatz erheblich reduzieren und das Gewicht der Teile reduzieren kann, während gleichzeitig ihre Festigkeit gewährleistet wird. Das strukturelle Design von Teilen spielt eine entscheidende Rolle, um die Vorteile des 3D-Drucks voll auszuschöpfen, was von uns verlangt, das traditionelle Designkonzept zu durchbrechen und unserer Vorstellungskraft und Kreativität freien Lauf zu lassen.
Es werden mehrere Designideen für 3D-Druckteile empfohlen.
1. Zwecks Leichtbau
Leichtbauanforderungen erfordern eine topologische Optimierung von Bauteilen in der Struktur. Der Vorteil der Topologieoptimierung liegt darin, dass die Leichtbauanforderungen von Bauteilen bei reduziertem Materialeinsatz dennoch erfüllt werden können. 3D-Druck ist die bequemste Vorbereitungsmethode für die Topologieoptimierung komplexer Strukturdesigns. Dies ist in der Luft- und Raumfahrt von großer Bedeutung und kann das Gewicht des Flugzeugs deutlich reduzieren. Am Beispiel der Schnellbremshalterung beträgt das Gewicht der mit herkömmlicher Technologie hergestellten Halterung aus Titanlegierung 430,3 g, und das Gewicht wird nach dem strukturellen Optimierungsdesign um 22 Prozent reduziert.
Derzeit sind folgende Leichtbaustrukturen üblich:
●Truss/starre Rahmenstruktur
Die starre Rahmenstruktur besteht aus einigen dünnen Stäben, die durch einige Knoten verbunden sind. Es kann die erforderlichen Anforderungen an physikalische Festigkeit, Kraftstabilität und Selbstausgleich erfüllen und gleichzeitig Material einsparen und Druckanforderungen erfüllen.
Die Fachwerkstruktur wird durch 3D-Druck aus einer Al-Legierung hergestellt. Das Gesamtgewicht ist 35 Prozent leichter als bei herkömmlicher Fertigung, und die Steifigkeit ist um 40 Prozent erhöht. Zusätzlich gibt es eine hautstarre Struktur, die von der Fachwerkstruktur abgeleitet ist, das heißt, die Außenfläche ist eine dünnwandige Struktur und das Innere ist ein Scharnierelement. Diese Struktur kann in Form von dünnwandigen und klappbaren Haltestäben in 3D-Drucktechnik ausgeführt werden.
●Gitter-Sandwich-Struktur
Die Eigenschaft der Gitter-Sandwich-Struktur im Prozess der Gewichtsreduzierung besteht darin, die Struktur zu optimieren und gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit des Materials sicherzustellen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird die Gitter-Sandwichstruktur häufig verwendet, um verschiedene Wandpaneele herzustellen.
Das Material des Flugtriebwerk-Schmiersystems ist ein Öl- und Gasabscheider aus Ti-6Al-4V. Sein Arbeitsprinzip besteht darin, das Gas im Ölrücklauf abzuscheiden. Die Porosität dieser Gitterstruktur beträgt bis zu 95 Prozent, und die Dichte wird auf 0,5 g/cm2 reduziert, sodass beim Durchströmen des Öl- und Gasgemischs die kleinen Öltröpfchen im Abscheider adsorbiert werden. Rolls-Royce nutzte diese Struktur, um Öl- und Gasabscheidegrade von bis zu 99 Prozent zu erreichen.
Das Problem bei dieser Struktur besteht darin, dass das ungeschmolzene Metallpulver am Rahmen haftet und während des Herstellungsprozesses schwierig zu entfernen ist.
●Hohlstruktur
Die Hohlstruktur besteht darin, dass die Schale innerhalb der dünnen Wand hohl ist oder eine einfache Strebenstruktur im Inneren hinzugefügt wird. Der Nachteil dieser Struktur besteht darin, dass sie eine interne Stütze erfordert und die Stütze schwierig oder unmöglich zu entfernen ist.
2. Zum Zwecke der Biokompatibilität
Poröse und zellulare Strukturen in medizinischen Implantaten erfordern Durchgangslochstrukturen, die das Knochenwachstum und die Zellmigration erleichtern. Gleichzeitig wird zur Vermeidung des „Stress Shielding“-Phänomens, das durch den hohen Elastizitätsmodul des Metalls verursacht wird, garantiert, dass die mechanischen Eigenschaften des Implantats der realen Knochenstruktur entsprechen. Es ist notwendig, die einzigartige poröse Struktur/Zellstruktur des 3D-Drucks zu entwerfen und herzustellen und den Druckprozess abzuschließen, nachdem der Typ, die Porengröße, die Porenwanddicke und die Porosität den Anforderungen entsprechend entworfen wurden.
●Poröse Struktur/Zellstruktur
Die Veröffentlichung „Application of Powder Bed Fusion Technology in Medical Implant Fabrication“ stellt vier Arten von porösen Struktur-/Zellstruktureinheiten vor, die in ihrer Struktur einer Gittersandwichstruktur ähnlich sind, um Leichtbauanforderungen zu erfüllen. Aber der Zweck ist ein anderer, der Zweck besteht darin sicherzustellen, dass das aus Struktureinheiten zusammengesetzte biologische Implantat eine gute Biokompatibilität aufweist. Durch biologische Experimente wurde bewiesen, dass dieses Strukturimplantat eine gute Biokompatibilität aufweist und eine große Menge Knochengewebe in die Porenstruktur einwächst.
3. Andere komplexe Strukturen
●Space speziell geformte Rohrleitungsstruktur
Das herkömmliche Herstellungsverfahren von speziell geformten Weltraumrohrleitungen ist Spritzgießen, Gießen usw. Zusätzlich zu den hohen Herstellungskosten und dem langen Produktionszyklus ist es schwierig, mit dem herkömmlichen Verfahren die für die Pipeline erforderliche komplexe Keilkurve erfolgreich herzustellen. Die konturnahe Kühltechnologie kombiniert den Formenbau mit 3D-Druck, um die Art und Weise zu lösen, wie die komplexen Formen von Weltraumrohren geformt werden.
●Integrierte komplexe Struktur
Die integrierte komplexe Struktur wird weiter in den statischen Mechanismus und den dynamischen Mechanismus unterteilt. Unter ihnen ist das berühmteste statische Mechanismusdesign die Kraftstoffeinspritzdüse von GE. Die Eigenschaften des dynamischen Integrationsmechanismus bestehen darin, dass er frei von Montage ist und die dynamische Verbindung realisieren kann. Herkömmliche mechanische Komponenten müssen jedes einzelne Teil Schritt für Schritt drucken und dann das einzelne Teil zusammenbauen. Durch den 3D-Druck können Montageschritte eingespart und direkt eine montagefreie Gesamtmechanik erhalten werden. Typischer Vertreter - Kreuzgelenk.
●Space Freiform-Oberflächenstruktur
Freiformstrukturen lassen sich mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder gar nicht bearbeiten.
Triebwerksschaufeln sind beispielsweise typische Vertreter solcher dünnwandiger und komplexer Freiformflächen. Klingen, die durch traditionelle Gießverfahren und CNC-Bearbeitungstechniken hergestellt werden, haben die Nachteile einer schlechten Oberflächenqualität bzw. einer geringen Verarbeitungseffizienz. Die additive Fertigungstechnologie bietet technische Voraussetzungen für die Herstellung von Schaufeln mit hoher geometrischer Genauigkeit und guter Oberflächengüte. Darüber hinaus kann die Gitter-Sandwichstruktur mit der Freiform-Oberflächenstruktur kombiniert werden, um den Zweck leichtgewichtiger komplexer Oberflächen zu erreichen.