黃林琪，陳顯揚(yáng)，陳韻律，安芬菊

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 廣東湛江 524088）

0 引言

3D打印技術(shù)和輕量化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的日益快速發(fā)展以及這兩項(xiàng)技術(shù)在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的深入研究與應(yīng)用，促進(jìn)了輕量化3D 打印機(jī)械零件的研究[1]。由于傳統(tǒng)的機(jī)械零件受限制于設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式不能做到效能最優(yōu)，現(xiàn)在可以通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合3D打印的方式取得零件更優(yōu)化的材料分布，以較少的材料實(shí)現(xiàn)更佳的性能[2]。目前基于3D打印的輕量化方法主要包括2類：一類是根據(jù)切片輪廓內(nèi)部掃描路徑實(shí)現(xiàn)輕量化；另一類是對(duì)模型進(jìn)行輕量化建模[3]。前者相當(dāng)于將模型內(nèi)部挖空、內(nèi)部網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)的一種方法[4]。目前研究表明，3D打印蜂窩狀結(jié)構(gòu)的填充具有優(yōu)良的抗壓、抗沖能力和吸能性能以及輕量化特性[5]。但采用此種方法輕量化后的模型仍存在一些難題[6]，例如是否違背現(xiàn)實(shí)的物理規(guī)律問(wèn)題，在不同力的作用下能否保持原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)問(wèn)題。后者輕量化建模通?；谀Ｐ偷挠邢拊治?，能夠較好地規(guī)避上述的難題[7]。但此方法也存在著拓?fù)鋬?yōu)化后模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致打印時(shí)突出或懸空部分需要的支撐多且復(fù)雜，打印完成后支撐不易拆卸的缺陷[8]。為了解決以上存在的問(wèn)題，利用拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印相結(jié)合的技術(shù)，進(jìn)行基于3D打印的機(jī)械零件輕量化設(shè)計(jì)與制作工藝的研究非常有必要。

1 機(jī)械零件輕量化設(shè)計(jì)

機(jī)械零件輕量化設(shè)計(jì)選用概念設(shè)計(jì)工具Altair Inspire，該軟件是一款拓?fù)鋬?yōu)化及快速仿真的設(shè)計(jì)工具，可用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析和增材制造分析，研究結(jié)構(gòu)高效型的概念設(shè)計(jì)[9]，有助于生產(chǎn)實(shí)際中大大降低成本、減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和物料消耗并減輕產(chǎn)品質(zhì)量。下面依托概念設(shè)計(jì)工具Al?tair Inspire軟件進(jìn)行機(jī)械零件的輕量化設(shè)計(jì)。

機(jī)械零件的輕量化設(shè)計(jì)研究對(duì)象選擇山地自行車結(jié)構(gòu)部件，如圖1所示。圖中的箭頭所指示連接件，該連接件承受的主要載荷來(lái)減震器端和車架連接端。

圖1 山地自行車結(jié)構(gòu)零部件

1.1 連接件的材料及載荷條件

（1）材料：ABS（楊氏模量2000 MPa、泊松比0.35 、密度1060 kg/m3、屈服應(yīng)力45 MPa）。

（2）約束：中間孔位置約束，如圖2所示。

圖2 連接件約束及外部受載情況

（3）載荷條件：在實(shí)際山地自行車結(jié)構(gòu)部件中，其外部實(shí)際受載情況如圖2 所示。圖中，位置1 為X正方向100 N；位置2 為X正方向100 N；位置3 為Z正方向100 N；位置4 為Z負(fù)方向100 N；位置5 為Y正方向100 N；位置6 為Y正方向100N。

1.2 連接件初始強(qiáng)度分析

使用概念設(shè)計(jì)工具Altair Inspire對(duì)連接件的原始模型進(jìn)行分析處理，設(shè)定連接件原始模型分析材料為ABS，其材料性能參數(shù)如1.1節(jié)（1）所示，且根據(jù)實(shí)際要求添加載荷。

在添加文中1.1 節(jié)（3）所述的外部載荷后，對(duì)山地自行車支架部件模型進(jìn)行初始強(qiáng)度分析評(píng)估，得出其原始模型質(zhì)量為65.770 g（ABS），最大形變位移為0.7021 mm，如圖3（a）所示；最大米塞斯等效應(yīng)力為10.91 MPa，如圖3（b）所示；最小安全系數(shù)為4.1，如圖3（c）所示。

圖3 初始強(qiáng)度分析結(jié)果

1.3 連接件拓?fù)鋬?yōu)化、幾何重構(gòu)與強(qiáng)度分析

利用概念設(shè)計(jì)工具Altair Inspire軟件對(duì)連接件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和幾何重構(gòu)，圖4所示為拓?fù)鋬?yōu)化及幾何重構(gòu)過(guò)程圖。首先指定設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間（圖4（a））；以剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，質(zhì)量和厚度作為設(shè)計(jì)約束，分析得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果（圖4（b））；再對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行幾何重構(gòu)（圖4（c））；獲得最終的輕量化設(shè)計(jì)模型，模型輸出（圖4（d））。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化及幾何重構(gòu)過(guò)程

考慮到拓?fù)鋬?yōu)化的不同擬合方法的影響，采取了自動(dòng)擬合以及手動(dòng)擬合的方法分別進(jìn)行強(qiáng)度（包括最大位移、最大應(yīng)力、安全系數(shù)）分析對(duì)比，最后再對(duì)輕量化模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析評(píng)估后獲得分析結(jié)果，如圖5所示，確保零件的最大應(yīng)力值不超過(guò)材料屈服應(yīng)力。

根據(jù)圖5 可以得出，初始強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)以及自動(dòng)擬合與手動(dòng)擬合強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

圖5 自動(dòng)擬合與手動(dòng)擬合輕量化模型強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比

從表1 強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出，山地自行車支架連接件在優(yōu)化前的質(zhì)量為65.770 g（材料ABS），通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)之后的質(zhì)量分別為30.145 g（自動(dòng)擬合優(yōu)化）、23.045 g（手動(dòng)擬合優(yōu)化）。相對(duì)于連接件初始強(qiáng)度分析結(jié)果，可以看出自動(dòng)擬合減輕的質(zhì)量較多，但最大米塞斯等效應(yīng)力與最大形變位移的增大與最小安全系數(shù)的下降導(dǎo)致了連接件的性能整體下降；而手動(dòng)擬合與之相反，連接件的性能整體提高，且減輕的質(zhì)量更多。因此，為更加貼合輕量化設(shè)計(jì)3D打印的要求，采用了手動(dòng)擬合優(yōu)化的設(shè)計(jì)作為此次試驗(yàn)的研究方法。

表1 強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)對(duì)比

依據(jù)連接件初始的強(qiáng)度分析結(jié)果，其最大米塞斯等效應(yīng)力10.91 MPa，最大位移0.7021 mm，最小安全系數(shù)1.8。輕量化設(shè)計(jì)采用手動(dòng)擬合優(yōu)化之后的連接件強(qiáng)度校核結(jié)果，其最大米塞斯等效應(yīng)力8.16 MPa，最大位移0.5462 mm，最小安全系數(shù)5.5，質(zhì)量23.045 g。經(jīng)過(guò)計(jì)算，輕量化設(shè)計(jì)后的山地自行車支架連接件與優(yōu)化前相比較，實(shí)現(xiàn)了64.96%的減重，部件的最大米塞斯等效應(yīng)力為8.16 MPa，最小安全系數(shù)為5.5，不超過(guò)材料的屈服應(yīng)力45 MPa，滿足實(shí)際的強(qiáng)度需求。

2 機(jī)械零件輕量化的3D打印制作

本研究試驗(yàn)基于FDM工藝，以ABS為耗材，選用了太爾時(shí)代UP3003D 打印設(shè)備以及UP Studio3.0 為3D 模型切片參數(shù)分析軟件。以輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化分析結(jié)果為前提，分別以原始模型、輕量化設(shè)計(jì)輸出模型以及以原始模型為主模型，輕量化設(shè)計(jì)輸出為子模型（子模型置于主模型內(nèi)部）的結(jié)合模型3種切片形式展開(kāi)3D打印制作。

2.1 模型打印方向選擇

模型打印方向是影響3D打印模型質(zhì)量的重要因素，需根據(jù)壓力源調(diào)整打印方向，確保打印方向是朝減少某些區(qū)域中的應(yīng)力集中方向進(jìn)行的。結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)和造型，模型的打印方向可以確定為圖6所示4種情況，其中第1、2種擺放方式會(huì)導(dǎo)致模型重心高，分層后模型支撐多，底座面積小，打印時(shí)間長(zhǎng)，這兩種打印方向不合理，故只考慮圖6 中3（側(cè)躺式）、4（平躺式）2種模型擺放方式。

圖6 打印方向選擇

以最大形變位移強(qiáng)度分析為前提，對(duì)于側(cè)躺式，支撐類型少，但支撐面積大、支撐高度高，必然導(dǎo)致打印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；更重要的是，其層片方向與最大變形量方向垂直，層片間的剪切變形最大，最終打印模型易發(fā)生斷裂。相反，平躺式支撐類型多，但支撐面積小、高度低而且層片方向與最大變形量方向平行，層片間剪切變形為0。

綜上分析，以平躺式作為模型打印方向。

2.2 子模型設(shè)置

3D 打印中子模型的設(shè)置是提升模型綜合性能的有效方法，但目前應(yīng)用較少。通常為節(jié)省3D 打印材料，打印模型不會(huì)選擇較高的填充比例，但這樣會(huì)導(dǎo)致打印模型某些部分的強(qiáng)度下降。為了解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)在主模型中設(shè)置子模型的方法來(lái)解決。即用不同于主模型的填充密度來(lái)設(shè)置子模型，這樣既能修改其局部填充比例以達(dá)到增強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效果，又能保持主模型是預(yù)想的填充密度來(lái)節(jié)省材料。

子模型的設(shè)置方法，首先設(shè)置連接件非設(shè)計(jì)空間即裝配孔（6 個(gè)受力孔、2 個(gè)約束孔）為3 種切片打印形式的默認(rèn)子模型，局部填充比例盡可能高以此滿足載荷要求，如圖7（a）所示。對(duì)于以原始模型為主模型，輕量化設(shè)計(jì)輸出為子模型（子模型置于主模型內(nèi)部）的結(jié)合模型，在打印此模型時(shí)相當(dāng)于在主模型內(nèi)部加固輕量化設(shè)計(jì)輸出模型部分，提高關(guān)鍵部分的強(qiáng)度，如圖7（b）所示。

圖7 子模型設(shè)置

2.3 支撐設(shè)計(jì)

3D 打印中支撐的設(shè)計(jì)影響著懸空部分的完整性及可靠性，有效的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要?？紤]到支撐是否方便去除以及模型打印件的表面質(zhì)量等問(wèn)題，支撐位置和支撐大小都是影響模型打印件質(zhì)量的重要因素。由于連接件模型底部不是一個(gè)完整平面，所以模型底面與打印平臺(tái)不是貼合面，需要通過(guò)支撐全部撐起。此外在設(shè)置參數(shù)時(shí)將受力孔設(shè)置為子模型，且孔部分支撐需完全填充孔徑，連接件模型的支撐設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 支撐設(shè)計(jì)

2.4 3D打印工藝參數(shù)設(shè)置

3D 打印工藝參數(shù)主要包括動(dòng)態(tài)層厚、支撐角度、輪廓、填充密度、走絲速度、支撐粘合強(qiáng)度等[10]。連接件模型的3D打印工藝參數(shù)設(shè)置以噴頭直徑（0.4 mm）與打印質(zhì)量為前提，再根據(jù)原始模型與優(yōu)化模型切片組合分析及打印效果，優(yōu)化模型層厚選取0.1～0.4 mm之間較為合適，考慮到打印時(shí)長(zhǎng)和精度選取0.2 mm 作為打印層厚，調(diào)整容許最大層厚至0.4 mm，由于模型位置擺放是平躺式，考慮到圓孔外表面及模型曲面部分的表面質(zhì)量，設(shè)置動(dòng)態(tài)層厚的調(diào)整比例為3，設(shè)置底部、頂部路徑一致為0.4 mm，支撐角度為80°[11]，使支撐盡可能包覆外孔直徑以下的外表面，如圖9所示的支撐角度，這樣打印出來(lái)的孔外表面能更光滑過(guò)渡。

圖9 支撐角度

考慮到薄壁結(jié)構(gòu)（裝配孔）和表面質(zhì)量，輪廓設(shè)置為2 mm；填充密度設(shè)置為50%以增加其成品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，支撐密度設(shè)置為20%以便于縮短打印時(shí)間和后面支撐的拆除。由于增加過(guò)大的填充密度，在走絲速度一定時(shí)，打印時(shí)間會(huì)有較大幅度上升。因此綜合考量選取30%填充密度，其他填充路徑參數(shù)保持默認(rèn)狀態(tài)即可。

為了增加構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度，在打印速度調(diào)整方面將內(nèi)部輪廓的走絲速度降低至30 mm/s，使上下兩層材料堆疊相對(duì)緊密一些。在此，因?yàn)榻档妥呓z速度所帶來(lái)的打印時(shí)間增長(zhǎng)可以通過(guò)加快中間部分的支撐和支撐路徑的走絲速度來(lái)進(jìn)行相對(duì)補(bǔ)償，且在其他條件同等情況下，打印所耗時(shí)增加不多。經(jīng)過(guò)支撐剝離粘合強(qiáng)度在測(cè)試后可知，粘合強(qiáng)度過(guò)低，支撐和模型及底座粘不?。徽澈蠌?qiáng)度過(guò)高，支撐與模型難以拆除，因此在打印中考慮到底部接觸面方便處理且盡可能光滑，所選支撐粘合強(qiáng)度為50%。設(shè)置打印平臺(tái)預(yù)加熱，加強(qiáng)模型底座與平臺(tái)的粘合強(qiáng)度，防止翹邊現(xiàn)象的發(fā)生。

2.5 打印制作

打印平臺(tái)預(yù)熱后，噴頭開(kāi)始升溫至280 ℃，打印機(jī)開(kāi)始工作。首先打印出底座，其次打印支撐與實(shí)體，最后到打印出完整實(shí)體。例如在結(jié)合模型打印過(guò)程中，可以清楚的觀察到底座、支撐、模型、子模型的填充密度和模型輪廓等情況，模型各部分的填充密度差異顯而易見(jiàn)，結(jié)合圖10 所示，主模型填充、子模型填充、支撐填充有明顯不同，如圖中圈起部分其填充密度明顯大于其他部分。逐層打印完成后，將支撐進(jìn)行拆除，而后對(duì)模型外表面進(jìn)行打磨，最后再進(jìn)行拋光處理。

圖10 結(jié)合模型打印過(guò)程

2.6 問(wèn)題討論與模型分析

（1）噴嘴停止擠出絲材

在打印過(guò)程中，常出現(xiàn)噴嘴停止擠出絲材的問(wèn)題，其原因是送絲電機(jī)的齒輪上有積聚物堵塞，如圖11所示。長(zhǎng)時(shí)間打印導(dǎo)致粉塵、絲材碎屑等異物堆積，積聚物增多減少齒輪對(duì)絲材的摩擦力，導(dǎo)致噴嘴停止擠出絲材。解決方法是定期清理送絲電機(jī)的齒輪上絲材進(jìn)給帶來(lái)的積聚物。

圖11 異物堵塞齒輪

（2）基底翹邊

打印時(shí)出現(xiàn)基底翹邊的問(wèn)題，如圖12所示。翹邊現(xiàn)象受底板溫度、噴嘴高度、打印平臺(tái)水平度等因素影響。查閱文獻(xiàn)得知ABS 成型效果最佳的底板溫度為50 ℃[12]。解決基底翹邊的方法為設(shè)置底板溫度為50 ℃，調(diào)整噴嘴高度加大基底與平臺(tái)的附著力強(qiáng)度，校準(zhǔn)打印平臺(tái)的水平度。

圖12 基底翹邊

（3）模型分析

通過(guò)不斷的3D打印制作，在不同的打印切片形式中選取了其中最優(yōu)的模型，其中對(duì)模型進(jìn)行稱重后分析評(píng)估得出：原始模型質(zhì)量為65 g、輕量化設(shè)計(jì)輸出模型質(zhì)量為26 g、子模型置于主模型內(nèi)部的結(jié)合模型質(zhì)量為40 g。經(jīng)過(guò)計(jì)算，相對(duì)于原始模型，輕量化設(shè)計(jì)輸出模型實(shí)現(xiàn)了60%的減重，結(jié)合模型實(shí)現(xiàn)了38.46%的減重。雖然輕量化設(shè)計(jì)輸出模型減重更多，但其強(qiáng)度不能長(zhǎng)時(shí)滿足實(shí)際載荷要求，經(jīng)人為施加力后發(fā)生斷裂。圖13（a）～（c）分別為原始模型、輕量化模型、結(jié)合模型3D打印的實(shí)物圖?？梢钥闯觯p量化模型實(shí)物鏤空部分較多，其打印過(guò)程中形成的支撐必然較多，而結(jié)合模型實(shí)物與原始模型實(shí)物外觀基本無(wú)差別，相對(duì)輕量化模型實(shí)物形成的支撐少得多。

圖13 打印的實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展的需求和3D打印機(jī)械結(jié)構(gòu)零件的要求，采用了一種高效率的輕量化3D打印的設(shè)計(jì)方法，以山地自行車結(jié)構(gòu)部件為例，在經(jīng)過(guò)Altair Inspire對(duì)連接件的原始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、幾何重構(gòu)，機(jī)械零件輕量化的3D打印制作后，驗(yàn)證了該方法的可行性。最終模型的優(yōu)化結(jié)果實(shí)現(xiàn)了38.46%的減重，顯著降低了打印材料的消耗。同時(shí)輕量化3D打印的設(shè)計(jì)方法具有不改變模型主要結(jié)構(gòu)、模型支撐容易去除、適用于多種類型打印機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)，因此機(jī)械零件輕量化設(shè)計(jì)在3D打印制造領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。