论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了3D打印一体化结构设计的概念、特点、作用以及其在各行各业的应用现状。并通过归纳总结其目前的应用特点和方式方法，提炼出了几种常见的设计思路，为推广3D打印一体化结构设计的应用提供一定的参考价值和借鉴作用。
关键词：3D打印;一体化设计;产品设计
1 3D打印一体化结构设计简介
3d打印一体化结构是一种具有代表性的为增材制造而设计的结构[1]。3D打印一体化结构设计可以实现产品“瘦身”，减少部件数量和功能与结构的集成。它是一种以增材制造技术为主导的主动设计思维方式，在设计之初，以考虑产品的功能性为主，而不用花费过多的精力去考虑结构装配的问题，遵循这种方法，可以为产品的开发提供创新性的思路。
3D打印技术可以实现复杂部件的一体化制造，这为零部件设计带来了优化的空间，设计师可以尝试将原本需要通过多个组件装配的复杂部件，进行一体化设计。这种方式不仅实现了零件的整体化结构，还能够避免原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。
在应用中，设计工程师会遇到很多挑战，存在的痛点包括如何获得最优的结构形状，如何将最优的结构形状与最优的产品性能相结合起来设计等。尤其是针对3d打印的技术特点，设计工程师需要突破以往通过铸造、压铸、机械加工制造所带来的对自身思维的束缚，重新考虑如何利用3d打印技术，以增材制造的思维去设计，这个过程是充满挑战和无限可能性的。突破传统设计思维的限制是一个需要用户与3D打印企业长期共同努力的过程。除此之外，增材制造软件的应用也是推动增材制造思维的力量。
2 3d打印一体化结构设计的应用现状
3D打印无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，其对设计的复杂性并不敏感，也就是说3D打印适合制造复杂形状的产品，能够生产出超常规理念的复杂结构零件是他的最大特点。3d打印一体化结构设计可以使零件在保证其强度的前提下，大幅度减少材料的应用和减轻零件的重量，可以使零件一体化，节省装配步骤，直接得到免组装的整体机构，其在发挥3D打印优点方面，起着举足轻重的作用。下面通过几个应用案例来简单介绍一下其应用现状：
在航空航天领域，GE 公司把 GE Catalyst 涡桨发动机中的855个单独的部件通过增材制造技术组合成了12个部件[2];法国赛峰集团对其一款发电机的外壳进行了设计优化，把过去由多个复杂加工零件组装成的部件转变设计成一个功能集成的3D打印电机外壳，使得发动机的整体零件数量和制造时间大大缩减[3]。中国航天科技集团也采用3D打印技术成功研制出了火箭发动机的一体化喷注器关键部件。喷注器由底座和喷嘴组合而成，原先采用的“机加喷嘴+分体焊接”制造方案，工序繁多、制造周期长。而且，由于喷注器组成零件较多，焊接过程中，每条焊缝都有可能存在潜在的质量隐患和风险。但是，采用3D打印技术，可以整体制造喷注器，一次打印成形，减少了部件数量及加工工序，制造周期大大缩短，生产效率大幅度提升。而且，由于少了中间的焊接工序，产品质量及可靠性也大大提高[4]。
在汽车领域，通用对一款汽车座椅支架进行了重新设计，其在实现了轻量化的同时，还通过使用3D打印一体化设计制造技术，将原来的多个零部件合为一体，使得供应链压缩和组装成本降低，从而大大缩减了产品开发过程和开发费用[5];保时捷借助粉末床选区激光熔化3D打印技术为911 GT2 RS型双涡轮增压发动机生产的活塞进行了改进，其通过采用功能集成的设计，把冷却管道引入到3d打印活塞上，流经管道的冷却油既有助于将活塞密封至气缸活塞环后的关键区域，又可以将活塞温度降低20摄氏度[6]。
不仅仅是在航空航天和汽车领域，在机床零部件制造、消费品等多个领域也都有尝试借助3D打印技术实现设计制造一体化零件的案例。比如，Innogrind公司利用3D打印造型自由的优势，将用于磨削设备的钛金属冷却液喷嘴进行了功能集成的一体化结构设计，把原来的多个独立组件组装而成的喷嘴结构设计为一个紧凑的一体式零件[7]。同样，家用、商用搅拌机制造商Vitamix 在制造商用攪拌机喷嘴时也尝试使用了3D打印技术，其设计团队经过多次设计迭代优化后将喷嘴设计优化成一个没有装配要求的、单一的、功能集成的零件。优化后的一体化喷嘴具有300微米的孔和复杂的微流体通道结构，使用材料减少了30%，制造的手工劳动减少了55%，喷嘴的成本降低约33%，新喷嘴的耐用性提高了10倍以上[8]。
由此可见，3D打印一体化结构设计技术在各行各业的最终零部件生产中的应用日益丰富，但是，3D打印一体化结构零件的设计实际上并不是简单的照搬传统的设计思路，而是利用增材制造设计的规则寻求设计的优化方案，使产品变得更加紧凑、轻量和高效。
3 3d打印一体化结构设计的设计思路分析
从上节的应用现状我们可以看出，3d打印一体化结构设计技术具有产品轻量化实现瘦身、减少产品组装提升效率和产品功能与结构的集成化等应用价值和意义，其已经在一系列行业里得到了广泛运用。在接下来的时间里，随着3D打印技术的广泛应用，其势必驱动相关的生产和设计技术不断迭代、进步，加速产品的创新和更新换代。所以，为了促进创新，形成更优的产品开发流程，在如今的设计和增材制造领域总结设计思路、探索各种可能显得尤为重要。下面我们基于目前的应用现状，针对3d打印一体化结构设计总结提炼出以下几个设计思路。
3.1 原不同功能部件合而为一
图1是采用原不同功能部件合而为一设计思路设计打印出的一体式新型火箭发动机。火箭发动机是火箭上的核心部件，其在燃烧过程中，燃烧室喉部燃烧温度会高达3500℃，内壁温度也会超过 1000℃。所以为了防止材料失效，火箭发动机上会设计再生冷却管道，来降低燃烧室的温度和实现热量“再生”。其冷却管道传统的生产方式是通过在毛坯上钻孔后再通过多个繁琐的密封工序后实现的，而且，其结构设计由于受到传统制造手段的制约，燃烧室的冷却效率较低。然而，借助选区激光熔化技术来制造火箭发动机，就可以实现多个功能结构的一体化制造。与传统火箭发动机需要进行零件单独设计然后组装的形式不同，通过3d打印一体化设计的发动机可以将燃烧室和表面通道等多个功能组件自主集成到了一个结构中，并通过3d打印技术一次成型，这种简化设计不仅仍然满足其性能要求，而且还可以减轻重量并提高散热效率。 3.2 原生产工艺必须分离的部件合而为一
图2是一种挂载装置锲紧机构中的活塞组件，它由推杆、加强筋、导向件、销钉和锲形件五部分组成。由于生产工艺的限制，如果把整个活塞组件进行整体加工的话，其在生产时就会面临无法脱模的问题。故原设计采用的是把活塞组件拆分成五个独立的零件，分别加工后，通过配合关系进行装配形成完整的功能部件。但是，3d打印工艺不存在脱模问题，对结构的复杂性也不敏感性，所以，如果采用3d打印工艺生产的话，我们就可以考虑把整个功能部件的五部分进行合而为一设计。
3.3 原需要装配的部件合而为一
图3是空客飞机上的电缆布线支架，其为机翼上摄像头的供电和数据传输系统提供垂直稳定支撑，该支架由支架主体和插头连接器两部分组成，其中支架主体的传统生产方式是由成型的金属片材零部件和多个铆钉装配组装而成，共计超过 30 个单独的零部件，其上部的插头连接器是由塑料制成，使用的材料与支架的其他零部件不同，生产时，再通过连接件装配到支架主体上。这种传统的生产方式存在生产周期长等缺陷。但是借助金属3D 打印技术提供的设计自由度优势，采用一体化设计，把许多单独步骤和之前 30 多个零部件集成到在一个中央组件中，并且把插头连接器也一并集成到设计中，设计成一个单一零部件，这样不仅能够大大减少构造和安装时间，还可以实现减重目标，仅需一步即可进行生产。此外，也不再需要对各个零部件进行单独生产，更无需库存和运输，从而节省了大量的费用。
3.4 一体式完全装配组件合而为一
图4是一只3d打印的骏马和一只萌兔，这两个模型打印出来就是一个整体，无需装配，而且也无法装配，并且还会动作。这主要是因为在三维模型设计时进行了一体化设计，其中，在骏马的头、身体、四肢和尾部以及萌兔耳朵关节的每一个连接处都设置有一个相互连接的活动卡口结构，该卡扣结构是无需装配也无法装配的，但是由于在卡口之间存在着一定的间隙（通常为0.4mm-0.5mm），从而实现了在保证骏马身体之间和萌兔耳朵关节之间能够相互连接起来形成一体的同时，还能有一定的运动空间上进行活动，使得打印出来的模型，既生动又形象，而且可以一次成型。
3.5 原必须实心的部分整体化镂空
图5是两双3d打印的镂空鞋子，采用常规制作工艺制作的鞋子鞋跟和防水台多为实心的，可是如果采用3d打印工艺来生产，我们就可以采用如上图所示的创意设计，把整只鞋子设计成一个整体，并且采用全部镂空的形式，这种设计除了美观外，还可以节省材料，实现轻量化，减少打印时间，提高生产效率。
4 结论
3D打印能够生产出超常规理念的复杂结构零件，而且可以在保证零件强度的前提下，大幅度减少材料的损耗，實现轻量化，所以，借助3D打印技术，就可以实现许多零部件结构的一体化，结构的一体化不仅可以带来供应链的压缩和组装成本的降低，并且能够显著压缩产品的开发时间。总之，3d打印技术和一体化设计技术二者是相辅相成，互相促进的关系，3d打印为一体化设计提供了可能性，一体化设计可充分发挥3D打印的优点，二者的结合，必将在诸多领域找到应用的切入点，并能在未来5年内实现由“点”到“面”的全面铺开，并发挥着无可替代的作用。但是，3d打印结构一体化设计需要我们打破传统设计理念的束缚，充分发挥想象力和创造力。
参考文献：[1]孙东辉，王陆阳，黄瑞.基于3D打印理念的某种零件结构优化设计[J].中国机械.2019 （000）012：7-9.
[2]王俊颉.数字孪生技术的典型应用案例-饰上科技带你走进数字孪生[EB/OL]. [2020-7-20].http：//www.xnnews.com.cn/dszx/e103838470.html
[3]江苏激光产业创新联盟.2018年3D打印行业大事件总结！快速、低成本、批量化是趋势[EB/OL].[2019-03-01].https：//www.sohu.com/a/298504909_100034932？qq-pf-to=pcqq. c2c
[4]中国国防科技信息中心.航天科技一院国内首次采用3D打印技术制造一体化喷注器[EB/ OL].[2018-04-11].https：//www.sohu.com/a/227921805_313834
[5]Ronaldo qin.通用汽车采用人工智能和3D打印技术以降低车辆重量[EB/OL]. [2018-06-08]. http：//www.91trend.com/info/idea/detail.do？id=2483
[6]3D科学谷.保时捷通过3D打印技术为911 GT2 RS双涡轮增压发动机生产的活塞[EB/OL].[2020-08-05].http：//www.elecfans.com/article/89/2020/202008051265336.html
[7]3D打印世界.干货：四个案例诠释3D打印在塑造零件性能和紧凑性方面的功能[EB/OL]. [2018-05-28].https：//www.sohu.com/a/233155321_254021
[8]3DScienceValley.两个案例get光固化技术进入到产业化领域的前沿趋势[EB/OL]. [2018-11-12].http：//www.51shape.com/？p=13473
基金项目：第七批校级教育教学改革研究与实践项目“基于CDIO的工业产品数字化设计与制造课程群教学设计与实践”（编号2019jgyb19）和首批校级精品实训项目“逆向产品开发”
关键词：3D打印;一体化设计;产品设计
1 3D打印一体化结构设计简介
3d打印一体化结构是一种具有代表性的为增材制造而设计的结构[1]。3D打印一体化结构设计可以实现产品“瘦身”，减少部件数量和功能与结构的集成。它是一种以增材制造技术为主导的主动设计思维方式，在设计之初，以考虑产品的功能性为主，而不用花费过多的精力去考虑结构装配的问题，遵循这种方法，可以为产品的开发提供创新性的思路。
3D打印技术可以实现复杂部件的一体化制造，这为零部件设计带来了优化的空间，设计师可以尝试将原本需要通过多个组件装配的复杂部件，进行一体化设计。这种方式不仅实现了零件的整体化结构，还能够避免原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。
在应用中，设计工程师会遇到很多挑战，存在的痛点包括如何获得最优的结构形状，如何将最优的结构形状与最优的产品性能相结合起来设计等。尤其是针对3d打印的技术特点，设计工程师需要突破以往通过铸造、压铸、机械加工制造所带来的对自身思维的束缚，重新考虑如何利用3d打印技术，以增材制造的思维去设计，这个过程是充满挑战和无限可能性的。突破传统设计思维的限制是一个需要用户与3D打印企业长期共同努力的过程。除此之外，增材制造软件的应用也是推动增材制造思维的力量。
2 3d打印一体化结构设计的应用现状
3D打印无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，其对设计的复杂性并不敏感，也就是说3D打印适合制造复杂形状的产品，能够生产出超常规理念的复杂结构零件是他的最大特点。3d打印一体化结构设计可以使零件在保证其强度的前提下，大幅度减少材料的应用和减轻零件的重量，可以使零件一体化，节省装配步骤，直接得到免组装的整体机构，其在发挥3D打印优点方面，起着举足轻重的作用。下面通过几个应用案例来简单介绍一下其应用现状：
在航空航天领域，GE 公司把 GE Catalyst 涡桨发动机中的855个单独的部件通过增材制造技术组合成了12个部件[2];法国赛峰集团对其一款发电机的外壳进行了设计优化，把过去由多个复杂加工零件组装成的部件转变设计成一个功能集成的3D打印电机外壳，使得发动机的整体零件数量和制造时间大大缩减[3]。中国航天科技集团也采用3D打印技术成功研制出了火箭发动机的一体化喷注器关键部件。喷注器由底座和喷嘴组合而成，原先采用的“机加喷嘴+分体焊接”制造方案，工序繁多、制造周期长。而且，由于喷注器组成零件较多，焊接过程中，每条焊缝都有可能存在潜在的质量隐患和风险。但是，采用3D打印技术，可以整体制造喷注器，一次打印成形，减少了部件数量及加工工序，制造周期大大缩短，生产效率大幅度提升。而且，由于少了中间的焊接工序，产品质量及可靠性也大大提高[4]。
在汽车领域，通用对一款汽车座椅支架进行了重新设计，其在实现了轻量化的同时，还通过使用3D打印一体化设计制造技术，将原来的多个零部件合为一体，使得供应链压缩和组装成本降低，从而大大缩减了产品开发过程和开发费用[5];保时捷借助粉末床选区激光熔化3D打印技术为911 GT2 RS型双涡轮增压发动机生产的活塞进行了改进，其通过采用功能集成的设计，把冷却管道引入到3d打印活塞上，流经管道的冷却油既有助于将活塞密封至气缸活塞环后的关键区域，又可以将活塞温度降低20摄氏度[6]。
不仅仅是在航空航天和汽车领域，在机床零部件制造、消费品等多个领域也都有尝试借助3D打印技术实现设计制造一体化零件的案例。比如，Innogrind公司利用3D打印造型自由的优势，将用于磨削设备的钛金属冷却液喷嘴进行了功能集成的一体化结构设计，把原来的多个独立组件组装而成的喷嘴结构设计为一个紧凑的一体式零件[7]。同样，家用、商用搅拌机制造商Vitamix 在制造商用攪拌机喷嘴时也尝试使用了3D打印技术，其设计团队经过多次设计迭代优化后将喷嘴设计优化成一个没有装配要求的、单一的、功能集成的零件。优化后的一体化喷嘴具有300微米的孔和复杂的微流体通道结构，使用材料减少了30%，制造的手工劳动减少了55%，喷嘴的成本降低约33%，新喷嘴的耐用性提高了10倍以上[8]。
由此可见，3D打印一体化结构设计技术在各行各业的最终零部件生产中的应用日益丰富，但是，3D打印一体化结构零件的设计实际上并不是简单的照搬传统的设计思路，而是利用增材制造设计的规则寻求设计的优化方案，使产品变得更加紧凑、轻量和高效。
3 3d打印一体化结构设计的设计思路分析
从上节的应用现状我们可以看出，3d打印一体化结构设计技术具有产品轻量化实现瘦身、减少产品组装提升效率和产品功能与结构的集成化等应用价值和意义，其已经在一系列行业里得到了广泛运用。在接下来的时间里，随着3D打印技术的广泛应用，其势必驱动相关的生产和设计技术不断迭代、进步，加速产品的创新和更新换代。所以，为了促进创新，形成更优的产品开发流程，在如今的设计和增材制造领域总结设计思路、探索各种可能显得尤为重要。下面我们基于目前的应用现状，针对3d打印一体化结构设计总结提炼出以下几个设计思路。
3.1 原不同功能部件合而为一
图1是采用原不同功能部件合而为一设计思路设计打印出的一体式新型火箭发动机。火箭发动机是火箭上的核心部件，其在燃烧过程中，燃烧室喉部燃烧温度会高达3500℃，内壁温度也会超过 1000℃。所以为了防止材料失效，火箭发动机上会设计再生冷却管道，来降低燃烧室的温度和实现热量“再生”。其冷却管道传统的生产方式是通过在毛坯上钻孔后再通过多个繁琐的密封工序后实现的，而且，其结构设计由于受到传统制造手段的制约，燃烧室的冷却效率较低。然而，借助选区激光熔化技术来制造火箭发动机，就可以实现多个功能结构的一体化制造。与传统火箭发动机需要进行零件单独设计然后组装的形式不同，通过3d打印一体化设计的发动机可以将燃烧室和表面通道等多个功能组件自主集成到了一个结构中，并通过3d打印技术一次成型，这种简化设计不仅仍然满足其性能要求，而且还可以减轻重量并提高散热效率。 3.2 原生产工艺必须分离的部件合而为一
图2是一种挂载装置锲紧机构中的活塞组件，它由推杆、加强筋、导向件、销钉和锲形件五部分组成。由于生产工艺的限制，如果把整个活塞组件进行整体加工的话，其在生产时就会面临无法脱模的问题。故原设计采用的是把活塞组件拆分成五个独立的零件，分别加工后，通过配合关系进行装配形成完整的功能部件。但是，3d打印工艺不存在脱模问题，对结构的复杂性也不敏感性，所以，如果采用3d打印工艺生产的话，我们就可以考虑把整个功能部件的五部分进行合而为一设计。
3.3 原需要装配的部件合而为一
图3是空客飞机上的电缆布线支架，其为机翼上摄像头的供电和数据传输系统提供垂直稳定支撑，该支架由支架主体和插头连接器两部分组成，其中支架主体的传统生产方式是由成型的金属片材零部件和多个铆钉装配组装而成，共计超过 30 个单独的零部件，其上部的插头连接器是由塑料制成，使用的材料与支架的其他零部件不同，生产时，再通过连接件装配到支架主体上。这种传统的生产方式存在生产周期长等缺陷。但是借助金属3D 打印技术提供的设计自由度优势，采用一体化设计，把许多单独步骤和之前 30 多个零部件集成到在一个中央组件中，并且把插头连接器也一并集成到设计中，设计成一个单一零部件，这样不仅能够大大减少构造和安装时间，还可以实现减重目标，仅需一步即可进行生产。此外，也不再需要对各个零部件进行单独生产，更无需库存和运输，从而节省了大量的费用。
3.4 一体式完全装配组件合而为一
图4是一只3d打印的骏马和一只萌兔，这两个模型打印出来就是一个整体，无需装配，而且也无法装配，并且还会动作。这主要是因为在三维模型设计时进行了一体化设计，其中，在骏马的头、身体、四肢和尾部以及萌兔耳朵关节的每一个连接处都设置有一个相互连接的活动卡口结构，该卡扣结构是无需装配也无法装配的，但是由于在卡口之间存在着一定的间隙（通常为0.4mm-0.5mm），从而实现了在保证骏马身体之间和萌兔耳朵关节之间能够相互连接起来形成一体的同时，还能有一定的运动空间上进行活动，使得打印出来的模型，既生动又形象，而且可以一次成型。
3.5 原必须实心的部分整体化镂空
图5是两双3d打印的镂空鞋子，采用常规制作工艺制作的鞋子鞋跟和防水台多为实心的，可是如果采用3d打印工艺来生产，我们就可以采用如上图所示的创意设计，把整只鞋子设计成一个整体，并且采用全部镂空的形式，这种设计除了美观外，还可以节省材料，实现轻量化，减少打印时间，提高生产效率。
4 结论
3D打印能够生产出超常规理念的复杂结构零件，而且可以在保证零件强度的前提下，大幅度减少材料的损耗，實现轻量化，所以，借助3D打印技术，就可以实现许多零部件结构的一体化，结构的一体化不仅可以带来供应链的压缩和组装成本的降低，并且能够显著压缩产品的开发时间。总之，3d打印技术和一体化设计技术二者是相辅相成，互相促进的关系，3d打印为一体化设计提供了可能性，一体化设计可充分发挥3D打印的优点，二者的结合，必将在诸多领域找到应用的切入点，并能在未来5年内实现由“点”到“面”的全面铺开，并发挥着无可替代的作用。但是，3d打印结构一体化设计需要我们打破传统设计理念的束缚，充分发挥想象力和创造力。
参考文献：[1]孙东辉，王陆阳，黄瑞.基于3D打印理念的某种零件结构优化设计[J].中国机械.2019 （000）012：7-9.
[2]王俊颉.数字孪生技术的典型应用案例-饰上科技带你走进数字孪生[EB/OL]. [2020-7-20].http：//www.xnnews.com.cn/dszx/e103838470.html
[3]江苏激光产业创新联盟.2018年3D打印行业大事件总结！快速、低成本、批量化是趋势[EB/OL].[2019-03-01].https：//www.sohu.com/a/298504909_100034932？qq-pf-to=pcqq. c2c
[4]中国国防科技信息中心.航天科技一院国内首次采用3D打印技术制造一体化喷注器[EB/ OL].[2018-04-11].https：//www.sohu.com/a/227921805_313834
[5]Ronaldo qin.通用汽车采用人工智能和3D打印技术以降低车辆重量[EB/OL]. [2018-06-08]. http：//www.91trend.com/info/idea/detail.do？id=2483
[6]3D科学谷.保时捷通过3D打印技术为911 GT2 RS双涡轮增压发动机生产的活塞[EB/OL].[2020-08-05].http：//www.elecfans.com/article/89/2020/202008051265336.html
[7]3D打印世界.干货：四个案例诠释3D打印在塑造零件性能和紧凑性方面的功能[EB/OL]. [2018-05-28].https：//www.sohu.com/a/233155321_254021
[8]3DScienceValley.两个案例get光固化技术进入到产业化领域的前沿趋势[EB/OL]. [2018-11-12].http：//www.51shape.com/？p=13473
基金项目：第七批校级教育教学改革研究与实践项目“基于CDIO的工业产品数字化设计与制造课程群教学设计与实践”（编号2019jgyb19）和首批校级精品实训项目“逆向产品开发”