3D tisk má mnoho výhod, schopnost vyrábět složité konstrukční díly s nekonvenčním pojetím je jeho největší vlastností, která dokáže výrazně snížit nanášení materiálů a snížit hmotnost dílů při zajištění jejich pevnosti. Strukturální design dílů hraje klíčovou roli při plném využití výhod 3D tisku, což od nás vyžaduje, abychom rozbili tradiční koncept designu a dali plnou hru naší představivosti a kreativitě.
Doporučuje se několik návrhů dílů pro 3D tisk.
1. Za účelem odlehčení
Požadavky na lehkou konstrukci vyžadují topologickou optimalizaci dílů v konstrukci. Výhodou optimalizace topologie je, že stále může splňovat požadavky na odlehčenou konstrukci dílů a zároveň redukovat množství materiálu. 3D tisk je nejpohodlnější přípravnou metodou pro optimalizaci topologie složitých konstrukčních návrhů. To má velký význam v oblasti letectví a může to výrazně snížit hmotnost letadla. Vezmeme-li jako příklad držák rychlostní brzdy, hmotnost držáku z titanové slitiny vyrobeného tradiční technologií je 430,3 g a po návrhu optimalizace konstrukce je hmotnost snížena o 22 procent.
V současnosti se běžně používají tyto lehké konstrukce:
●Struktura příhradového/tuhého rámu
Tuhá rámová konstrukce se skládá z několika tenkých tyčí spojených několika uzly. Dokáže splnit požadavky na požadovanou fyzickou pevnost, stabilitu síly a samovyvažování a zároveň šetřit materiály a realizovat požadavky na tisk.
Konstrukce vazníku je vyrobena z Al slitiny pomocí 3D tisku. Celková hmotnost je o 35 procent nižší než u tradiční výroby a tuhost se zvýšila o 40 procent. Kromě toho je zde struktura tuhá na kůži odvozená od příhradové konstrukce, to znamená, že vnější povrch je tenkostěnná konstrukce a vnitřek je kloubový člen. Tato struktura může být ztělesněna ve formě tenkostěnných a sklopných nosných tyčí v technologii 3D tisku.
●Příhradová sendvičová struktura
Charakteristikou příhradové sendvičové konstrukce v procesu snižování hmotnosti je optimalizace konstrukce a zároveň zajištění dostatečné pevnosti materiálu. V leteckém průmyslu se příhradová sendvičová struktura často používá k výrobě různých stěnových panelů.
Materiálem mazacího systému leteckého motoru je odlučovač oleje a plynu Ti-6Al-4V. Jeho pracovním principem je oddělení plynu ve zpětném potrubí oleje. Pórovitost této mřížkové struktury je až 95 procent a hustota je snížena na 0,5 g/cm2, takže při průchodu směsi oleje a plynu jsou malé kapičky oleje adsorbovány v separátoru. Rolls-Royce použil tuto strukturu k dosažení účinnosti separace ropy a plynu až 99 procent.
Problém s touto strukturou spočívá v tom, že neroztavený kovový prášek přilne k rámu a je obtížné jej odstranit během výrobního procesu.
●Dutá konstrukce
Dutá struktura spočívá v tom, že plášť je dutý uvnitř tenké stěny nebo je uvnitř přidána jednoduchá vzpěrná struktura. Nevýhodou této konstrukce je, že vyžaduje vnitřní podpěru a podpěru je obtížné nebo nemožné odstranit.
2. Za účelem biokompatibility
Porézní a buněčné struktury v lékařských implantátech vyžadují struktury s průchozími otvory, které usnadňují růst kostí a migraci buněk. Zároveň, aby se předešlo jevu „stress shielding“ způsobenému vysokým modulem pružnosti kovu, mechanické vlastnosti implantátu zaručeně odpovídají skutečné kostní struktuře. Je nutné navrhnout a vyrobit jedinečnou porézní strukturu/buněčnou strukturu 3D tisku a dokončit tiskový proces po navržení typu, velikosti pórů, tloušťky stěny pórů a pórovitosti podle potřeb.
●Pórovitá struktura/buněčná struktura
Článek "Aplikace technologie fúze práškového lůžka ve výrobě lékařských implantátů" představuje čtyři druhy jednotek porézní struktury/buněčné struktury, které jsou svou strukturou podobné mřížkové sendvičové struktuře, aby bylo dosaženo požadavků na nízkou hmotnost. Účel je ale jiný, účelem je zajistit, aby biologický implantát složený ze strukturálních jednotek měl dobrou biokompatibilitu. Biologickými experimenty bylo prokázáno, že tento strukturální implantát má dobrou biokompatibilitu a velké množství kostní tkáně prorůstá do struktury pórů.
3. Jiné složité struktury
●Struktura potrubí speciálního tvaru pro prostor
Tradičním výrobním procesem vesmírných potrubí speciálního tvaru je vstřikování, odlévání atd. Kromě vysokých výrobních nákladů a dlouhého výrobního cyklu je tradičním procesem obtížné úspěšně připravit složitou spline křivku požadovanou pro potrubí. Technologie konformního chlazení kombinuje výrobu forem s 3D tiskem a řeší způsob, jakým se tvoří složité tvary vesmírných trubek.
●Integrovaná komplexní struktura
Integrovaná komplexní struktura se dále dělí na mechanismus statický a mechanismus dynamický. Mezi nimi je nejznámější konstrukce statického mechanismu vstřikovač paliva GE. Charakteristickým rysem mechanismu dynamické integrace je to, že se nemontuje a může realizovat dynamické spojení. Tradiční mechanické součásti potřebují vytisknout každý jednotlivý kus krok za krokem a poté jeden kus sestavit. 3D tisk může ušetřit montážní kroky a přímo získat celkový mechanismus bez montáže. Typický představitel - kardanový kloub.
●Struktura povrchu volného prostoru
Volné konstrukce je obtížné nebo nemožné obrábět tradičními metodami.
Typickými představiteli takových tenkostěnných a složitých ploch volného tvaru jsou například lopatky motoru. Čepele připravené tradičními metodami odlévání a CNC obráběcími technikami mají nevýhodu špatné kvality povrchu a nízké efektivity zpracování, resp. Technologie aditivní výroby poskytuje technické podmínky pro výrobu čepelí s vysokou geometrickou přesností a dobrou kvalitou povrchu. Kromě toho lze mřížkovou sendvičovou strukturu kombinovat s volnou strukturou povrchu pro dosažení účelu lehkých komplexních povrchů.