金屬3D打印通過結構設計層面實現輕量化的4種途徑

金屬3D打印通過結構設計層面實現輕量化的4種途

▲3D打印(yin)的金屬飛(fei)機座(zuo)椅(yi)，強(qiang)度不降，但重量減輕(qing)了56%

輕(qing)量化(hua)這(zhe)一概念最先出(chu)現在(zai)賽(sai)車運動當中，而且(qie)它的(de)(de)優勢從字(zi)面就能看出(chu)來，重量減(jian)輕(qing)了(le)，賽(sai)車自然(ran)就能擁有更(geng)好的(de)(de)操控(kong)性能、更(geng)大的(de)(de)加速(su)度和燃油消(xiao)耗的(de)(de)減(jian)少。除了(le)在(zai)賽(sai)車這(zhe)樣的(de)(de)汽(qi)車領域外，國家層(ceng)面的(de)(de)航空航天對于輕(qing)量化(hua)的(de)(de)需要也(ye)不小。

要(yao)實現輕(qing)量化，從宏(hong)觀(guan)層面上(shang)講(jiang)，可以通(tong)過采用(yong)輕(qing)質材(cai)料，如鈦合金、鋁合金、鎂(mei)合金等材(cai)料來達到目的(de)。從微觀(guan)層面上(shang)講(jiang)，可以通(tong)過采用(yong)高強(qiang)度(du)結構(gou)鋼(gang)這樣(yang)的(de)材(cai)料使零件設(she)計得更緊湊和小型化，有(you)助于輕(qing)量化。

而金屬3D打(da)印(yin)帶來了通過結(jie)(jie)構(gou)(gou)設計層面上(shang)達(da)到輕量化(hua)(hua)的可(ke)行性(xing)。具體(ti)來說，金屬3D打(da)印(yin)通過結(jie)(jie)構(gou)(gou)設計層面實現輕量化(hua)(hua)的主要(yao)途徑有四種：中空(kong)夾層／薄(bo)壁加筋結(jie)(jie)構(gou)(gou)、鏤空(kong)點陣結(jie)(jie)構(gou)(gou)、一(yi)體(ti)化(hua)(hua)結(jie)(jie)構(gou)(gou)、拓撲(pu)優化(hua)(hua)結(jie)(jie)構(gou)(gou)。

1、中空夾層(ceng)/薄壁加筋結構：

     銅(tong)合金尾噴(pen)管的(de)內外(wai)壁(bi)之間設(she)計了50條隨形冷(leng)卻(que)流道，增大冷(leng)卻(que)接觸表(biao)面積(ji)，降低溫度達到快速冷(leng)卻(que)的(de)效(xiao)果，有效(xiao)提高了零件的(de)工作(zuo)溫度。

中空夾層(ceng)(ceng)、薄壁加筋結(jie)構(gou)(gou)通常是由(you)比較薄的面板(ban)與(yu)比較厚的芯子組合而成(cheng)。在彎曲(qu)荷載下，面層(ceng)(ceng)材料主要承(cheng)(cheng)擔(dan)拉(la)應力和壓(ya)應力，芯材主要承(cheng)(cheng)擔(dan)剪切應力，也承(cheng)(cheng)擔(dan)部分(fen)壓(ya)應力。夾層(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)(gou)具有(you)質(zhi)量輕、彎曲(qu)剛(gang)度與(yu)強(qiang)度大(da)、抗失穩能力強(qiang)、耐(nai)疲勞、吸音與(yu)隔熱等優(you)點。

在航空、風力發電機葉片(pian)、體育運(yun)動器(qi)材、船舶制(zhi)造、列車機車等(deng)領域，大量使用夾層結構，減輕(qing)重量。

如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾(jia)層(ceng)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)被稱作(zuo)(zuo)金屬夾(jia)層(ceng)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，鉑力特在(zai)3D打印(yin)過(guo)程中，采用夾(jia)層(ceng)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)，實現構(gou)(gou)(gou)件的(de)快速輕量化，經過(guo)設計(ji)的(de)夾(jia)層(ceng)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)對直接(jie)作(zuo)(zuo)用外部于蒙皮的(de)拉(la)壓載(zai)荷具有很好(hao)的(de)分散作(zuo)(zuo)用，薄壁結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)（比如壁厚1mm以下）也能對減重做出貢獻；夾(jia)層(ceng)及類(lei)似結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)可用作(zuo)(zuo)散熱(re)器，在(zai)零件上應用，極大地提高零件的(de)熱(re)交換面積，提高散熱(re)效率。

2、鏤空點陣結構：

       鏤(lou)空點陣結構可以(yi)達(da)到工(gong)程強度、韌性(xing)、耐(nai)久性(xing)、靜力(li)學(xue)、動力(li)學(xue)性(xing)能(neng)以(yi)及制造費用的完美(mei)平衡。

3D鏤空(kong)結構(gou)(gou)具有高度(du)的(de)(de)空(kong)間(jian)對稱性，可(ke)(ke)將(jiang)外(wai)部載(zai)(zai)荷(he)均勻(yun)分解，在(zai)實現減(jian)重的(de)(de)同時保證承載(zai)(zai)能力。除(chu)了工程學方(fang)面的(de)(de)需(xu)求，鏤空(kong)點陣結構(gou)(gou)間(jian)具有空(kong)間(jian)孔隙（孔隙大小(xiao)可(ke)(ke)調），在(zai)植(zhi)入(ru)物的(de)(de)應用方(fang)面，可(ke)(ke)以便(bian)于(yu)人體肌體（組織(zhi)）與植(zhi)入(ru)體的(de)(de)組織(zhi)融(rong)合。

鏤空(kong)點(dian)陣(zhen)單元(yuan)設(she)計有很高(gao)的(de)(de)的(de)(de)靈(ling)活性，根據使用的(de)(de)環境，可(ke)以(yi)設(she)計具有不同(tong)形狀、尺(chi)寸、孔隙率的(de)(de)點(dian)陣(zhen)單元(yuan)。鉑力特(te)在這方面(mian)做(zuo)了不斷的(de)(de)嘗試：在構(gou)(gou)(gou)件強度(du)要求(qiu)(qiu)高(gao)的(de)(de)區域，將點(dian)陣(zhen)單元(yuan)密度(du)調(diao)整的(de)(de)大(da)(da)一些，并選擇結(jie)構(gou)(gou)(gou)強度(du)高(gao)的(de)(de)鏤空(kong)點(dian)陣(zhen)單元(yuan)；在構(gou)(gou)(gou)件減重需求(qiu)(qiu)高(gao)的(de)(de)區域，添(tian)加輕量化幅度(du)大(da)(da)的(de)(de)鏤空(kong)點(dian)陣(zhen)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，鏤空(kong)結(jie)構(gou)(gou)(gou)不僅(jin)可(ke)以(yi)規則排列，也可(ke)以(yi)隨機分布以(yi)便形成不規則的(de)(de)孔隙。另外，鏤空(kong)結(jie)構(gou)(gou)(gou)還可(ke)以(yi)呈現變(bian)密度(du)、厚(hou)度(du)的(de)(de)梯度(du)過渡排列，以(yi)適應構(gou)(gou)(gou)件整體的(de)(de)梯度(du)強度(du)要求(qiu)(qiu)。

3、一體化結構：

      GE通過(guo)3D打(da)印(yin)實現了噴油嘴結(jie)構一體化，提高了使用壽命和整體性能。

金(jin)屬(shu)3D打(da)印(yin)可(ke)以(yi)將原(yuan)本通過多個(ge)構件(jian)組合的(de)(de)零件(jian)進行一體化打(da)印(yin)，這樣不僅(jin)實現了(le)零件(jian)的(de)(de)整體化結構，避(bi)免了(le)原(yuan)始多個(ge)零件(jian)組合時存在(zai)的(de)(de)連接結構（法(fa)蘭、焊縫等(deng)），也可(ke)以(yi)幫助設(she)計者(zhe)突破束縛實現功能最優化設(she)計。

一體化結構的(de)(de)實(shi)現(xian)除(chu)了(le)帶來(lai)輕(qing)量(liang)化的(de)(de)優勢(shi)，減少(shao)組裝(zhuang)的(de)(de)需求也為企業提(ti)升生產效益打開(kai)了(le)可行性空(kong)間。這方面典型的(de)(de)案例是GE通(tong)過(guo)長(chang)達(da)10多(duo)年的(de)(de)探索將(jiang)(jiang)其噴(pen)油(you)嘴的(de)(de)設計通(tong)過(guo)不斷的(de)(de)優化、測試、再優化，將(jiang)(jiang)噴(pen)油(you)嘴的(de)(de)零件數量(liang)從(cong)20多(duo)個減少(shao)到一個。通(tong)過(guo)3D打印將(jiang)(jiang)結構實(shi)現(xian)一體化，不僅改善了(le)噴(pen)油(you)嘴容(rong)易過(guo)熱和積碳的(de)(de)問題(ti)，還(huan)將(jiang)(jiang)噴(pen)油(you)嘴的(de)(de)使用(yong)壽命(ming)提(ti)高了(le)5倍， 并且將(jiang)(jiang)提(ti)高LEAP發動機的(de)(de)性能。

4、拓撲優化：

     ;縮短(duan)增材制造設計過程的(de)重要(yao)手段，通(tong)過拓(tuo)撲(pu)優化來確(que)(que)定(ding)(ding)和去除(chu)那些不影響零件剛性的(de)部位的(de)材料。拓(tuo)撲(pu)方法確(que)(que)定(ding)(ding)在(zai)一個(ge)確(que)(que)定(ding)(ding)的(de)設計領(ling)域內最佳的(de)材料分布：包括邊界條件、預張力(li)，以及負載等目標。

拓(tuo)撲優(you)化(hua)對原始(shi)零件(jian)進行了材料的再分(fen)配，往(wang)往(wang)能實(shi)現基于(yu)減重要求的功能最(zui)優(you)化(hua)。拓(tuo)撲優(you)化(hua)后的異(yi)形結(jie)構經過(guo)仿真分(fen)析完成最(zui)終的建模(mo)，這些設計往(wang)往(wang)無法通(tong)(tong)過(guo)傳統加工方式加工，而通(tong)(tong)過(guo)金屬3D打印(yin)則可以實(shi)現。

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周(zhou)工 13405104499