3D打印零件如何实现更好的组装和连接

3D打印技术已不再仅用于制作原型件，越来越多的技术被用于制造可投入生产的零件，这迫使工程师开始考虑联合设计和组装过程。 

许多打印的组件最终需要与其他零件或组件连接，而且，某些零件太大而无法在单个3D打印机上生产。无论是金属还是塑料，都可以通过传统的三种连接工艺来组装打印的零件：粘合剂粘合、机械紧固和焊接。通常，大多数塑料零件通过粘合剂连接，而许多金属零件是用螺钉和其他类型的紧固件组装。

增材制造的好处之一是零件整合。以前需要组装的复杂、多组件零件可以作为单个对象进行打印，这使工程师能够将多个零件或组件整合为一个零件，从而节省了时间和组装成本。增材制造的长期目标是简化或减少组装需求。实际上，许多塑料打印零件都采用卡扣配合，从而完全不需要粘合剂或紧固件。通常，卡扣配合保持在模具制造的几何约束之内，并利用塑料的能力进行弹性变形，然后通过卡扣成形。

当前采用增材制造技术的驱动因素之一是该技术可以生产高完成度的成品零件，它通常省去了多个组件，或优化了需加工零件或零件组的结构设计。与传统的机加或模制零件相比，通过增材制造生产的金属或塑料零件重量轻得多，并且几何形状更复杂，而它仍然可以使用与传统零件相同的紧固件。 

随着越来越多的制造商开始打印可用于生产的金属和塑料零件，他们迟早需要将这些零件连接到采用传统制造技术（如模铸、注塑或机械加工）制成的其他组件或零件上。需要特别注意的是，不同的连接方式，组合体所能实现的功能是不同的，当然，根据需要的不同，也需要选择不同的连接方式。

一、航空航天应用中的连接方式 

航空工业一直处于在生产中采用打印零件的最前沿，这些零件可用于从商用飞机座舱到喷气发动机的各种应用。打印的零件通常需要与铝或碳纤维复合材料组件连接主要的航空航天制造商，如波音、空客、通用电气和洛克希德·马丁公司等也都对该技术持乐观态度。 

波音公司已经不止于卫星和载人航天器，而且已经将该技术用于导弹、直升机和飞机。随着增材制造成为主流制造方法，通过设计集成的机械系统，可以显著提高可制造性并降低成本。但是，如果没有足够的理解并将整个系统作为一个整体重新设计，就不可能优化增材组件。

1.紧固件连接 

大多数航空航天增材制造应用涉及几何形状最优化的金属零件，而传统的加工技术是无法实现的。最终的零件仍具有与传统机加零件相同的功能，实际上，它通常具有与原始零件相同的尺寸范围，并且在连接界面处使用与原始零件相同的紧固件。在优化打印零件的同时，还有优化紧固件的巨大机遇。如果工程师采用最新的增材制造技术，那么也应采用最新的高性能紧固件。

2.开发先进粘合剂 

随着增材制造技术的成熟，材料的性能正在大大提高，这为连接打印零件创造了新的机会。汉高公司在大规模定制可获益的行业中看到了更多的应用（如体育用品、医疗设备，还有很多应用是小批量制造工作，如航空航天和专用工业机械），为了应对这些应用，汉高一直在为各种增材制造技术开发先进的粘合剂。

3.焊接连接—考虑材料性能差异 

EWI结构完整性首席工程师表示：“连接打印零件的难度可能会有所不同，具体取决于所打印的材料和尝试将其连接的材料。但是，对于金属和塑料零件，最常见的材料选择很容易焊接到相似的材料上。”莫尔认为，异种材料的连接更具挑战性。总的来说，用于增材制造的合金是可焊接的，即使是用于不同的连接。关注的领域可能是变形、材料性能、性能下降和腐蚀。变形是由于直接来自增材工艺的零件通常已经具有高张力的残余表面应力，该残余应力会在连接过程中通过加热而改变。由于增材材料可能具有产生自沉积的微观结构定向效应，从而导致材料性能下降。

就像任何需要集成到最终组装件中的工程组件一样，如果工程师对增材制造工艺的能力和局限性有充分的理解，那么连接打印零件就会相对简单。不同的打印技术将生产出具有完全不同特性的成品，即使是打印相同的3D模型也是如此。最终零件的尺寸精度和稳定性，以及表面光洁度和某些机械性能的各向异性都会对最终组装操作产生影响。在这些情况下，可能需要进行设计更改以生产针对整个制造周期进行优化的零件。 

二、性能变量影响组装过程和零件最终使用效果 

打印的零件会具有不同的性能，工程师应仔细考虑弹性、孔隙率和刚度。不同材料的腐蚀风险也不同，增材制造的材料在化学上往往会发生局部细微变化，从而加剧腐蚀效果。 

与使用注射成型等传统方法制造的相同零件相比，即使使用相同的聚合物或金属，打印零件的物理和机械性能也可能有很大差异。从材料科学的角度来看，这不足为奇。例如，最古老、最常见的工程材料之一——碳素钢，可以通过回火或退火来改变其内部结构，从而产生截然不同的性能，3D打印也是如此。 

在这种情况下，3D打印会制造出本质上具有各向异性的结构，而且其中还可能存在缝隙或空腔。这种孔隙会影响零件密封或容纳流体，而且零件的表面光洁度或粗糙度在不同方向上也很明显。工程师必须在打印过程中控制零件的方向，这最终将决定成品组装件的承重性能。表面和性能属性的变化也可能对粘合剂分配或组装过程产生影响。

在许多情况下，使用增材制造来达到与铸造、锻造或机加零件相同的设计标准，利用工艺的灵活性可以减少总重，同时满足设计意图。这在航空航天应用中非常有益，重量节省直接与燃料成本相关。结构的优化将提高材料的有效利用水平，尤其是对弹性行为更敏感的材料。 

3D打印零件的孔隙度对组装过程的影响与铸造零件相似，不同之处在于，打印零件的孔隙分布往往比铸件更均匀。对于在连接界面需要气密密封的情况，对均匀性的预期有助于其设计。此外，针对不同的焊接方式，打印零件的后处理也需要达到不同等级的要求。

 三、多种方案，多种选择 

粘合剂、紧固件和焊接都可用于连接金属或塑料打印件。用于传统模塑塑料零件的螺纹成形紧固件与打印塑料零件之间没有太大区别，都可以实现良好连接。

 Stratasys也是采用这些常规的连接方式，但仍然对不同连接方式造成的影响进行了探索。采用FDM打印的零件可以与多种类型的环氧树脂和氰基丙烯酸酯粘合：二元的环氧树脂在固化的同时可以将粘合部分固定或夹紧；氰基丙烯酸酯的拉伸强度高于环氧胶粘剂，但它对高温、化学药品和溶剂的抵抗力很差，因此，与氰基丙烯酸酯的粘合可能会降低FDM零件的性能。 

超声焊是另一种连接方式，特别是对于用热塑性材料打印的零件。当需要更高的强度时，可以将超声焊与其它方法结合使用。机械紧固是另一种有效的选择，连接FDM零件时，可以使用大量的机械紧固方法和硬件选择。机械连接零件的一种独特方法是在零件的制造过程中将紧固硬件放入零件内部，当打印完成后，可实现内外部的紧固。

（本文由 Austin Weber 撰写，刘亚威先生编译）