在複雜結構製造方面，增材製造技術解決了傳統減材和等材工藝難加工或無法加工的局限，而且其製造成本並不隨零件複雜性的增加而大幅度提高，具有「免費複雜性」的特點。中國航發北京航空材料研究院3D列印研究與工程技術中心的研究人員綜述了增材製造可加工的複雜結構種類及其應用情況。本期，3D列印技術參考對此進行介紹。
點陣結構
點陣結構由結點和結點間的連接杆件按照一定的空間周期規律擴展構成。金屬點陣結構具有超輕、高孔隙率、高比強、高比剛、高強韌、高能量吸收等優良力學性能，以及吸聲、減震、散熱、電磁屏蔽、滲透性優等特殊性能，使其兼備結構和功能的雙重功用，是一種性能優良的多功能工程結構材料，在航空航天、國防軍事、交通能源等各行業中均具有非常樂觀的應用前景。
點陣結構示意圖
2011年美國加州大學和加州理工大學的研究人員製備出超輕金屬鎳微點陣結構，它由 0.01%的固體和 99.99%的空氣組成，密度僅為 0.9 mg/cm3，具有極高的能量吸收能力，壓縮到98%後還可以恢復到原來的形狀。勞斯萊斯生產的點陣結構油氣分離器，孔隙率高達95%，密度僅為 0.5 g/cm 3，油氣分離效率高達99%。聲波進入點陣結構後引起空氣震動，經多次反射和折射，原有入射聲波大部分能量變成熱量散失到環境中，美國杜克大學根據此原理製造出了點陣結構的「聲學隱身裝置」。
超清金屬點陣和聲學隱身裝置
點陣結構空間還可以作為散熱或主動致冷通道，北京航空材料研究院採用點陣結構熱交換芯體替代傳統板翅結構，大幅度提高了熱交換器的換熱面積。改變鈦合金點陣結構中孔洞的體積分數和尺寸分布，可以解決植入物和骨頭之間的彈性失配問題，使植入物具有量身定製的力學性能，此外，點陣結構中的開放性孔洞也更有利於骨內生長和植入物的結合。
點陣結構熱交換器和人體植入物
目前金屬點陣結構增材製造技術的研究主要集中在成形零件尺寸精度和成形零件性能兩個方面。
大型薄壁結構
薄壁結構的特徵形式有襯套、殼體、肋板等，在航空發動機葉片、機匣、燃燒室等部位廣泛存在。傳統鑄造、鍛造、焊接、機械加工生產工藝周期長，材料利用率低，且一般深徑比超過10：1的薄壁結構就很難採用數控加工製備。相比而言，增材製造比較容易實現大深徑比薄壁結構的製備。不過，增材製造過程中零件局部溫度場呈現動態變化，相比實體結構，薄壁結構散熱面積小、溫度變化大、結構剛性差，其成形過程極易受溫度場變化的影響，成形穩定性較差。薄壁結構一直是增材製造研究的熱點與難點之一。
鉑力特雷射立體成形多層薄壁結構
目前，針對薄壁結構定向能量沉積增材製造成形過程中的溫度場、尺寸精度控制等已經做了大量研究，但由於薄壁結構對增材製造工藝條件和環境的變化十分敏感，成形過程中的每個細微波動都會逐層累積，進而影響後續成形，因此保證成形過程的穩定性是獲得質量優異薄壁件的關鍵。建立可靠的增材製造過程實時監控和反饋系統，實現閉環控制，是提高大型薄壁件增材製造成形過程穩定性，提高成形的精度的有效方法。
Fraunhofer為薄壁結構開發點陣保護支撐
複雜曲面結構
複雜曲面是指包含如球、橢球、雙曲面等二次曲面和自由曲面的組合曲面。當前個性化且具有複雜曲面的零件日益廣泛地應用於人們的生產生活中，在飛機、船舶、汽車等重要製造行業，為滿足流體力學要求，常需採用結構複雜曲面結構；部分藝術品等，需要通過複雜的外型結構設計來滿足人們日益增長的審美需求。如何高精度、高效率和低成本地製造這些複雜曲面結構，是工業設計領域對現代製造業提出的基本要求。增材製造由於其獨有的成形工藝，在加工曲面零件的複雜表面和內部結構方面，具有獨特的製造優勢。
含點陣的半球體結構
GE公司採用增材製造技術製備了具有自由空間曲面的發動機風扇葉片。美國Los Alamos實驗室(LANL)採用螺旋軌跡掃描技術製備出全緻密半球零件。國內北京航空航天大學、北京航空材料研究院、西北工業大學等單位均採用LMD技術製備了帶空間自由曲面葉片的航空發動機整體葉盤。
增材製造發動機風扇葉片和拓撲天線支架
增材製造成形空間複雜曲面結構的研究，大多集中在針對特定材料、特定工藝參數下的臨界成形傾角的確定，較少關注具體結構的成形。實時監測及閉環反饋控制同樣是提高複雜曲面結構增材成形過程穩定性、保證成形精度的有效途徑之一。
一體化結構
結構一體化是零件設計和發展的重要趨勢，增材製造可以將原本由多個構件組合的零件進行一體化製備，避免了多個零件組合時所需的連接結構，如法蘭、焊縫等。
GE公司將原本20多個零件的燃油噴嘴進行一體化設計與SLM製備，並將其應用到 LEAP發動機上，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還使其服役壽命提高了5倍。霍尼韋爾公司採用EBM製造了鎳基合金HTF7000發動機的管腔，由原本的8個部件組合形成1個部件，交付周期從幾個月大幅縮短至幾周，生產成本降低50%。一體化結構還被廣泛應用到航空發動機整體葉盤、增壓渦輪、支座、吊耳、起落架等其他結構。空間異型管道的傳統製造工藝為注塑成形、鑄造等方式，不僅製造成本高、生產周期長，對於管道需要的複雜樣條曲線一次很難製備成功，增材製造為空間異型管道一體化製備提供了可實用的技術。
3D列印一體化製造的燃油噴嘴和飛機起落架
除了靜態結構以外，增材製造還能方便實現動態機構的一體化製造。動態一體化機構特點在於免組裝、可實現動態聯接，傳統機械構件需要分步製備各個單獨構件，然後再將其裝配起來，而增材製造可直接得到免組裝的整體機構，節省裝配步驟。
一體化製造的免組裝鉸鏈結構
END
增材製造在複雜結構製造方面具有顯著的優勢，不過要實現大批量工程化應用仍有大量基礎科學問題需要解決。增材製造構件的表面質量與同等尺寸精密鑄件相比尚存一定差距，目前常規SLM成形的尺寸精度為0.1 mm左右、表面粗糙度Ra在6.3μm左右，EBM成形精度為0.1～0.2 mm、表面粗糙度Ra為20～30μm。
此外，增材製造成形過程伴隨著複雜的物理、化學、冶金過程，應力變形控制難度大，十分容易產生氣孔、未熔合、裂紋等冶金缺陷，嚴重影響構件尺寸精度及力學性能。進一步加強增材製造基礎工藝研究，揭示成形過程中應力演變規律、快速熔凝固原理、變形開裂行為、內部缺陷形成機制等，依然是今後增材製造複雜結構的研究重點。
轉載自：621劉偉等 3D列印技術參考，雷射天地轉載