应用聚焦：3D 打印支架

支架虽然零件相当简单，但却是 3D 打印的流行选择。一方面，3D 打印可实现支架优化，有助于提高零件的性能以及使用支架的结构。

在今天的应用聚焦中，我们探讨了使用 3D 打印制造支架的主要优势，并深入探讨了航空航天和汽车行业的一些令人兴奋的应用。

看看本系列中涵盖的其他应用程序：

热交换器的 3D 打印

轴承3D打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

3D 打印火箭和航天器制造的未来

鞋类制造的3D打印

电子元件3D打印

铁路行业的 3D 打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

3D 打印如何支持核电行业的创新

什么是括号？

支架是一种紧固件，旨在将两个垂直的零件固定在一个组件中并加强角度。

支架将我们周围的结构（想想建筑物、飞机和汽车）连接在一起，在很大程度上决定了这些结构的强度、弹性和完整性。

支架为什么要使用3D打印？

支架是使用传统方法制造的相当简单的组件。然而，随着 3D 打印的出现，工程师现在可以探索优化支架设计的新方法。

这在很大程度上是可能的，这要归功于 3D 打印能够创建复杂的几何形状，而这些几何形状要么是不可能的，要么是成本和时间过长的传统制造方法。

3D 打印支架的主要优点是：

更快的生产

复杂金属支架的生产通常需要多台机器设置，并且可能需要数小时才能完成。另一方面，3D 打印可能会提供更快的解决方案。一个原因是可以在 3D 打印机中嵌套多个零件，从而可以在同一台机器上同时生产多个支架。

对于之前注塑成型的支架，节省的时间甚至更多，因为 3D 打印消除了生产模具的前置时间。

消除组装

有些支架是由多块拼装而成，这会增加支架组装所需的时间。 3D 打印可以将支架设计和生产为一个整合部件，从而减少将支架组装在一起的劳动和时间。将支架作为单个零件 3D 打印也可能会增加零件的整体强度。

在一个例子中，飞利浦使用 3D 打印生产了一种重新设计的支架，用于在生产线上固定灯具。该部件经常发生故障，每周有一两次故障，这主要是由于反复暴露在高温下，再加上具有来自四件式支架的焊接线的结构。

飞利浦能够将金属部件重新设计为单一结构的支架，从而减少了耗时的部件组装并完全消除了熔接线压力点。在使用的前三个月中，重新设计的支架从未损坏过一次。

减少材料浪费

将支架作为一个组件进行 3D 打印的过程通常使用较少的材料，从而制造出更轻的支架。

减轻重量意味着减少材料使用，并且在某些情况下，可以提高使用支架的系统的性能。

以GE的GEnx引擎为例。发动机使用采用传统方法（例如铣削）制成的支架。这意味着这些零件是用一大块金属磨出来的，其中一半以上最终变成了废料。

从事支架工作的团队意识到，通过 3D 打印零件，他们将能够减少多达 90% 的浪费。

该团队还实施了一些小的设计改进，将支架的重量减轻了 10%。据该团队称，“在飞行方面，每一盎司都很重要”。这意味着减轻部件的重量会对飞机的燃油消耗率产生影响，从而降低燃油消耗率，从而产生更高效的飞机。

在另一个例子中，福特工程师最近为福特野马谢尔比 GT500 3D 打印了一个塑料电动停车制动支架，它比以前冲压的钢制版本轻 60%。

用塑料或复合材料代替金属的可能性

对于某些应用，3D 打印可用于生产塑料支架而不是金属支架。塑料支架可能更适合诸如寿命有限的消费品或具有金属支架不起作用的敏感电子元件的产品等应用。

一个例子来自通信设备制造商 Boyce技术。该公司使用 3D 打印为纽约市交通图腾制造塑料部件。每个系统的顶部都有一个绿色亚克力帽，上面装有用于照明的 LED 灯条和灵敏的天线仪器。

为了防止天线信号中断，不应有任何它前面的金属材料。这意味着该公司必须用塑料制造 LED 灯条的支架和天线的外壳。 Boyce 团队的设计、工程和生产时间很短，这使得 3D 打印成为合适的解决方案。

使用 BigRep Studio 系统，Boyce 能够为 LED 灯制作弯曲安装支架的原型，以照亮盖子，然后直接在同一平台上制造这些部件。

3D 打印这些支架使它们能够比注塑成型或机械加工更快速、更具成本效益，同时还满足天线上方的非金属要求。

更多 3D 打印支架示例

航空航天

波音 787 的 3D 打印钛支架

由钛合金制成的 3D 打印航空航天支架在飞机设计中变得越来越普遍。一个例子是由 Spirit AeroSystems 安装的用于波音 787 的检修门锁的支架。

以前加工的门闩配件现在由 Norsk Titanium 3D 打印，使用其专有的快速等离子沉积 (RPD) 技术。该名称描述了该过程：等离子弧允许以快速构建速率受控沉积钛。据报道，该技术比基于粉末的系统快 50-100 倍，使用的钛比锻造工艺少 25-50%。

转向钛 3D 打印的关键原因是降低制造成本的机会成本。钛很贵，当用一块钛加工零件时，很多这种昂贵的材料都会被浪费掉。第二个问题是大量的加工时间和刀具费用用于加工金属，从而推高了生产成本。

通过 3D 打印支架，Spirit 可以大幅降低这些成本，同时将新零件的上市时间缩短至少 60%。

Liebherr-Aerospace 3D 打印空客支架

在航空航天业的另一个例子中，利勃海尔航空航天公司已经开始为空客 A350 XWB 3D 打印前起落架支架。

这些支架将是有史以来第一个合格的引入空中客车系统的 3D 打印钛部件。

与 Spirit AeroSystems 不同的是，利勃海尔能够重新设计一个部件，以实现 29% 的重量减轻。 3D 打印的使用还有助于将组件的刚度提高 100%。

2019 年，Liebherr-Aerospace 达到了一个重要的里程碑：德国联邦航空办公室批准该公司使用 AM 生产组件。自那以后，利勃海尔一直在 3D 打印钛系列零件，包括支架。

汽车

BMW 优化和 3D 打印的车顶支架

2018年，宝马发布了其标志性的i8 Roadster汽车，采用了屡获殊荣的3D打印金属车顶支架。

车顶支架，一个有助于折叠的小部件并展开汽车的顶部，需要一个新的设计来最大限度地发挥车顶折叠机构的性能。为了实现这一目标，宝马的工程师将 3D 打印与拓扑优化软件相结合。

通过使用该软件，工程师能够输入参数，例如重量、组件的尺寸和它将承受的负载。然后，该软件生成了优化零件材料分布的设计。

工程团队完成的设计是无法铸造的。该团队发现，使这种设计成为可能的唯一方法是通过金属 3D 打印。

多亏了选择性激光熔化 (SLM) 技术，工程师们创造了一种金属车顶支架，与传统替代方案相比，它的硬度提高了 10 倍，重量减轻了 44%。

布加迪的轻量级支架

布加迪的车辆还配备了许多 3D 打印支架。一种是与 Fraunhofer IAPT 合作制造的钛制扰流板支架。据说这款扰流板增强了布加迪汽车的空气动力学设计。

扰流板支架项目的另一个合作伙伴是西门子，它帮助优化了支架的生产。最后，最终部件的抗拉强度达到 1,250 MPa，材料密度超过 99.7%，重量减轻了 53%。

3D 打印还被用于重新发明一个小型用于布加迪 Chiron 超级跑车的带集成水冷的电机支架。该部件用作主动隔热罩，可显着减少从电机传递的热量。自第一款布加迪 Chiron 发布以来，该创新组件由 SLM Solutions 在 SLM280 Twin 3D 打印机上用 AlSi10Mg 打印，已安装在所有系列车辆中。

3D 打印支架：蕴含巨大商机的小部件

支架是小而普通的零件，过去很难优化，当时工程师受到传统制造方法的限制。今天，工程师可以设计优化的支架，并在 3D 打印的帮助下将这些设计变为现实。

由于这项技术，支架可以做得更轻，但更坚固耐用。上述示例还表明，通过利用 3D 打印，可以提高组件的使用寿命和整体性能。

显然，我们距离大规模 3D 打印支架还很远。也就是说，特殊应用，如飞机支架和小批量生产的支架，仍将是该技术未来的一个很好的利基市场。