3D-tiskanje ima veliko prednosti, zmožnost izdelave kompleksnih strukturnih delov z nekonvencionalnimi koncepti je njegova največja lastnost, ki lahko močno zmanjša uporabo materialov in zmanjša težo delov, hkrati pa zagotavlja njihovo trdnost. Strukturna zasnova delov ima ključno vlogo pri popolnem izkoriščanju prednosti 3D-tiskanja, ki od nas zahteva, da prekinemo tradicionalni koncept oblikovanja in damo polno pot naši domišljiji in ustvarjalnosti.
Priporočljivo je več idej za oblikovanje delov za 3D tiskanje.
1. Za namen lahkega
Zahteve glede lahke konstrukcije zahtevajo topološko optimizacijo delov v strukturi. Prednost optimizacije topologije je, da lahko še vedno izpolni zahteve glede lahke konstrukcije delov, hkrati pa zmanjša količino materiala. 3D-tiskanje je najprimernejša metoda priprave za optimizacijo topologije kompleksnih strukturnih načrtov. To je zelo pomembno na vesoljskem področju in lahko znatno zmanjša težo letala. Če za primer vzamemo nosilec hitrostne zavore, je teža nosilca iz titanove zlitine, izdelanega s tradicionalno tehnologijo, 430,3 g, teža pa je po zasnovi strukturne optimizacije zmanjšana za 22 odstotkov.
Trenutno se običajno uporabljajo naslednje lahke konstrukcije:
● Nosilna/toga struktura okvirja
Struktura togega okvirja je sestavljena iz nekaj tankih palic, povezanih z nekaterimi vozlišči. Izpolni lahko zahtevano fizično moč, stabilnost sile in zahteve po samouravnoteženju, hkrati pa prihrani materiale in uresniči zahteve glede tiskanja.
Nosilna konstrukcija je izdelana iz Al zlitine s 3D tiskanjem. Skupna teža je za 35 odstotkov lažja kot pri tradicionalni izdelavi, togost pa je povečana za 40 odstotkov. Poleg tega je na koži toga struktura, ki izhaja iz konstrukcije nosilca, kar pomeni, da je zunanja površina struktura s tankimi stenami, notranjost pa je člen na tečajih. To strukturo je mogoče utelešiti v obliki tankostenskih in zgibnih podpornih palic v tehnologiji 3D tiskanja.
● Mrežasta sendvič struktura
Značilnost rešetkaste sendvič strukture v procesu zmanjševanja teže je optimizacija strukture in hkrati zagotavljanje zadostne trdnosti materiala. V vesoljski industriji se mrežasta sendvič struktura pogosto uporablja za izdelavo različnih stenskih plošč.
Material mazalnega sistema letalskega motorja je Ti-6Al-4V separator olja in plina. Njegov princip delovanja je ločitev plina v povratku olja. Poroznost te rešetkaste strukture je kar 95 odstotkov, gostota pa je zmanjšana na 0.5g/cm2, tako da se majhne kapljice olja adsorbirajo v separatorju, ko mešanica olja in plina prehaja skozi. Rolls-Royce je uporabil to strukturo za doseganje kar 99-odstotne učinkovitosti ločevanja nafte in plina.
Težava s to strukturo je, da se nestali kovinski prah oprime okvirja in ga je med proizvodnim procesom težko odstraniti.
●Votla struktura
Votla struktura je, da je lupina votla znotraj tanke stene ali pa je notri dodana preprosta struktura opornika. Pomanjkljivost te strukture je, da zahteva notranjo oporo, oporo pa je težko ali nemogoče odstraniti.
2. Za namen biokompatibilnosti
Porozne in celične strukture v medicinskih vsadkih zahtevajo strukture skozi luknje, ki olajšajo rast kosti in migracijo celic. Hkrati, da bi se izognili pojavu "stress shielding", ki ga povzroča visok modul elastičnosti kovine, so mehanske lastnosti vsadka zagotovljeno v skladu z resnično strukturo kosti. Treba je oblikovati in izdelati edinstveno porozno strukturo/celično strukturo 3D-tiskanja in dokončati postopek tiskanja po oblikovanju vrste, velikosti por, debeline stene por in poroznosti glede na potrebe.
●Porozna struktura/celična struktura
Prispevek "Uporaba tehnologije fuzije s prašno posteljo pri izdelavi medicinskih vsadkov" predstavlja štiri vrste enot porozne strukture/celične strukture, ki so po strukturi podobne rešetkasti sendvič strukturi, da se dosežejo zahteve glede lahke teže. Toda namen je drugačen, namen je zagotoviti, da ima biološki vsadek, sestavljen iz strukturnih enot, dobro biokompatibilnost. Z biološkimi poskusi je bilo dokazano, da ima ta strukturni vsadek dobro biokompatibilnost in da se velika količina kostnega tkiva vrašča v strukturo por.
3. Druge kompleksne strukture
● Prostorska struktura cevovoda posebne oblike
Tradicionalni proizvodni postopek vesoljskih cevovodov posebne oblike je brizganje, litje itd. Poleg visokih proizvodnih stroškov in dolgega proizvodnega cikla je s tradicionalnim postopkom težko uspešno pripraviti zapleteno krivuljo zlepka, ki je potrebna za cevovod. Tehnologija konformnega hlajenja združuje izdelavo kalupov s 3D-tiskanjem, da reši način oblikovanja kompleksnih oblik vesoljskih cevi.
●Integrirana kompleksna struktura
Integrirana kompleksna struktura je nadalje razdeljena na statični mehanizem in dinamični mehanizem. Med njimi je najbolj znana oblika statičnega mehanizma injektor goriva GE. Značilnosti mehanizma dinamične integracije so, da je brez montaže in lahko realizira dinamično povezavo. Tradicionalne mehanske komponente morajo korak za korakom natisniti vsak posamezen kos in nato sestaviti en kos. 3D-tiskanje lahko prihrani korake sestavljanja in neposredno pridobi splošni mehanizem brez sestavljanja. Tipični predstavnik - univerzalni spoj.
● Prostorska površinska struktura proste oblike
Strukture prostih oblik je težko ali nemogoče obdelati s tradicionalnimi metodami.
Na primer, lopatice motorja so tipični predstavniki takšnih tankostenskih in kompleksnih površin proste oblike. Rezila, pripravljena s tradicionalnimi metodami litja in CNC obdelovalnimi tehnikami, imajo slabost slabe kakovosti površine oziroma nizke učinkovitosti obdelave. Tehnologija aditivne izdelave zagotavlja tehnične pogoje za izdelavo rezil z visoko geometrijsko natančnostjo in dobro kakovostjo površine. Poleg tega se lahko mrežasta sendvič struktura kombinira s površinsko strukturo proste oblike, da se doseže namen lahkih kompleksnih površin.