In 3D có nhiều ưu điểm, khả năng sản xuất các bộ phận cấu trúc phức tạp với các khái niệm độc đáo là tính năng lớn nhất của nó, có thể giảm đáng kể ứng dụng của vật liệu và giảm trọng lượng của các bộ phận mà vẫn đảm bảo độ bền của chúng. Thiết kế cấu trúc của các bộ phận đóng một vai trò quan trọng trong việc phát huy hết những lợi thế của in 3D, đòi hỏi chúng ta phải phá bỏ quan niệm thiết kế truyền thống và phát huy hết khả năng tưởng tượng và sáng tạo của mình.
Một số ý tưởng thiết kế phần in 3D được khuyến khích.
1. Với mục đích nhẹ
Yêu cầu thiết kế nhẹ yêu cầu tối ưu hóa cấu trúc liên kết của các bộ phận trong kết cấu. Ưu điểm của tối ưu hóa cấu trúc liên kết là nó vẫn có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế nhẹ của các bộ phận trong khi giảm lượng vật liệu. In 3D là phương pháp chuẩn bị thuận tiện nhất để tối ưu hóa cấu trúc liên kết của các thiết kế cấu trúc phức tạp. Điều này có ý nghĩa lớn trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và có thể giảm trọng lượng của máy bay một cách đáng kể. Lấy giá đỡ phanh tốc độ làm ví dụ, trọng lượng của giá đỡ hợp kim titan được sản xuất theo công nghệ truyền thống là 430,3g và trọng lượng giảm 22% sau khi thiết kế tối ưu hóa cấu trúc.
Hiện nay, các kết cấu nhẹ thường được sử dụng như sau:
● Cấu trúc khung giàn / khung cứng
Cấu trúc khung cứng được cấu tạo bởi một số thanh mỏng được nối với nhau bằng một số nút. Nó có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền vật lý, độ ổn định lực và khả năng tự cân bằng trong khi tiết kiệm vật liệu và thực hiện các yêu cầu in ấn.
Kết cấu giàn được làm bằng hợp kim Al thông qua quá trình in 3D. Trọng lượng tổng thể nhẹ hơn 35% so với sản xuất truyền thống và độ cứng được tăng lên 40%. Ngoài ra, còn có kết cấu da dạng cứng bắt nguồn từ kết cấu vì kèo, tức là mặt ngoài là kết cấu thành mỏng và mặt trong là cấu kiện bản lề. Cấu trúc này có thể được thể hiện dưới dạng các thanh đỡ có thành mỏng và bản lề trong công nghệ in 3D.
● Cấu trúc bánh sandwich lưới
Đặc điểm của kết cấu dạng sandwich dạng lưới trong quá trình giảm trọng lượng là tối ưu hóa kết cấu, đồng thời đảm bảo đủ cường độ của vật liệu. Trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, cấu trúc bánh kẹp dạng lưới thường được sử dụng để chế tạo các tấm tường khác nhau.
Vật liệu của hệ thống bôi trơn động cơ hàng không là bộ tách dầu và khí Ti -6 Al -4 V. Nguyên lý hoạt động của nó là tách khí trong dầu hồi. Độ xốp của cấu trúc lưới này cao tới 95 phần trăm và tỷ trọng được giảm xuống còn 0. 5g / cm2 để khi hỗn hợp dầu và khí đi qua, các giọt dầu nhỏ được hấp phụ trong bộ phân tách. Rolls-Royce đã sử dụng cấu trúc này để đạt được hiệu suất tách dầu và khí đốt cao tới 99%.
Vấn đề với cấu trúc này là bột kim loại không tráng men bám vào khung và rất khó loại bỏ trong quá trình sản xuất.
● Cấu trúc rỗng
Kết cấu rỗng là vỏ rỗng bên trong thành mỏng hoặc kết cấu thanh chống đơn giản được thêm vào bên trong. Nhược điểm của cấu trúc này là nó cần có hỗ trợ bên trong, và hỗ trợ rất khó hoặc không thể tháo rời.
2. Vì mục đích tương thích sinh học
Cấu trúc xốp và tế bào trong cấy ghép y tế đòi hỏi cấu trúc lỗ thông để tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của xương và sự di chuyển của tế bào. Đồng thời, để tránh hiện tượng “ứng suất che chắn” do mô đun đàn hồi cao của kim loại, cơ tính của implant được đảm bảo phù hợp với cấu trúc xương thật. Cần thiết kế và sản xuất cấu trúc xốp / cấu trúc tế bào độc đáo của in 3D, và hoàn thành quá trình in sau khi thiết kế loại, kích thước lỗ, độ dày thành lỗ và độ xốp theo nhu cầu.
● Cấu trúc xốp / cấu trúc tế bào
Bài báo "Ứng dụng công nghệ kết hợp giường bột trong chế tạo cấy ghép y tế" giới thiệu bốn loại cấu trúc xốp / đơn vị cấu trúc tế bào, có cấu trúc tương tự như cấu trúc bánh sandwich mạng để đạt được yêu cầu nhẹ. Nhưng mục đích thì khác, mục đích là để đảm bảo rằng mô cấy sinh học bao gồm các đơn vị cấu trúc có khả năng tương thích sinh học tốt. Người ta đã chứng minh bằng các thí nghiệm sinh học rằng cấy ghép cấu trúc này có khả năng tương thích sinh học tốt, và một lượng lớn mô xương phát triển vào cấu trúc lỗ chân lông.
3. Các cấu trúc phức tạp khác
● Cấu trúc đường ống hình dạng đặc biệt trong không gian
Quy trình sản xuất truyền thống của đường ống có hình dạng đặc biệt trong không gian là ép phun, đúc, v.v. Ngoài chi phí sản xuất cao và chu kỳ sản xuất dài, quy trình truyền thống khó có thể chuẩn bị thành công đường cong phức tạp cần thiết cho đường ống. Công nghệ làm mát phù hợp kết hợp chế tạo khuôn với in 3D để giải quyết cách hình thành các hình dạng phức tạp của ống không gian.
● Cấu trúc phức hợp tích hợp
Cơ cấu phức hợp tích hợp được chia thành cơ chế tĩnh và cơ chế động. Trong số đó, thiết kế cơ chế tĩnh nổi tiếng nhất là kim phun nhiên liệu của GE. Đặc điểm của cơ chế tích hợp động là nó không cần lắp ráp và có thể thực hiện kết nối động. Các thành phần cơ khí truyền thống cần in từng chi tiết đơn lẻ từng bước và sau đó lắp ráp từng chi tiết đơn lẻ. In 3D có thể tiết kiệm các bước lắp ráp và trực tiếp có được một cơ chế tổng thể không cần lắp ráp. Đại diện tiêu biểu - chung phổ.
● Cấu trúc bề mặt dạng không gian
Cấu trúc dạng tự do rất khó hoặc không thể gia công bằng các phương pháp truyền thống.
Ví dụ, cánh động cơ là đại diện điển hình của các bề mặt dạng tự do có thành mỏng và phức tạp như vậy. Lưỡi dao được chế tạo bằng phương pháp đúc truyền thống và kỹ thuật gia công CNC có nhược điểm là chất lượng bề mặt kém và hiệu quả xử lý thấp, tương ứng. Công nghệ chế tạo phụ gia cung cấp các điều kiện kỹ thuật để chế tạo các lưỡi cắt có độ chính xác hình học cao và chất lượng bề mặt tốt. Ngoài ra, cấu trúc bánh sandwich dạng lưới có thể được kết hợp với cấu trúc bề mặt dạng tự do để đạt được mục đích của các bề mặt phức tạp nhẹ.