金屬3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的4種途徑

金屬3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的4種途

▲3D打印的金屬飛機(jī)座椅，強(qiáng)度不降，但重量減輕了56%

輕量化這一概念先出現(xiàn)在賽車運(yùn)動當(dāng)中，而且它的優(yōu)勢從字面就能看出來，重量減輕了，賽車自然就能擁有更好的操控性能、更大的加速度和燃油消耗的減少。除了在賽車這樣的汽車領(lǐng)域外，國家層面的航空航天對于輕量化的需要也不小。

要實(shí)現(xiàn)輕量化，從宏觀層面上講，可以通過采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料來達(dá)到目的。從微觀層面上講，可以通過采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于輕量化。

而金屬3D打印帶來了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來說，金屬3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層／薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

1、中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)：

     銅合金尾噴管的內(nèi)外壁之間設(shè)計(jì)了50條隨形冷卻流道，增大冷卻接觸表面積，降低溫度達(dá)到快速冷卻的效果，有效提高了零件的工作溫度。

中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子組合而成。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力，也承擔(dān)部分壓應(yīng)力。夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、吸音與隔熱等優(yōu)點(diǎn)。

在航空、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育運(yùn)動器材、船舶制造、列車機(jī)車等領(lǐng)域，大量使用夾層結(jié)構(gòu)，減輕重量。

如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾層結(jié)構(gòu)被稱作金屬夾層結(jié)構(gòu)，鉑力特在3D打印過程中，采用夾層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速輕量化，經(jīng)過設(shè)計(jì)的夾層結(jié)構(gòu)對直接作用外部于蒙皮的拉壓載荷具有很好的分散作用，薄壁結(jié)構(gòu)（比如壁厚1mm以下）也能對減重做出貢獻(xiàn)；夾層及類似結(jié)構(gòu)可用作散熱器，在零件上應(yīng)用，極大地提高零件的熱交換面積，提高散熱效率。

2、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：

       鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工程強(qiáng)度、韌性、耐久性、靜力學(xué)、動力學(xué)性能以及制造費(fèi)用的完美平衡。

3D鏤空結(jié)構(gòu)具有高度的空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)保證承載能力。除了工程學(xué)方面的需求，鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間具有空間孔隙（孔隙大小可調(diào)），在植入物的應(yīng)用方面，可以便于人體肌體（組織）與植入體的組織融合。

鏤空點(diǎn)陣單元設(shè)計(jì)有很高的的靈活性，根據(jù)使用的環(huán)境，可以設(shè)計(jì)具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點(diǎn)陣單元。鉑力特在這方面做了不斷的嘗試：在構(gòu)件強(qiáng)度要求高的區(qū)域，將點(diǎn)陣單元密度調(diào)整的大一些，并選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的鏤空點(diǎn)陣單元；在構(gòu)件減重需求高的區(qū)域，添加輕量化幅度大的鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，鏤空結(jié)構(gòu)不僅可以規(guī)則排列，也可以隨機(jī)分布以便形成不規(guī)則的孔隙。另外，鏤空結(jié)構(gòu)還可以呈現(xiàn)變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應(yīng)構(gòu)件整體的梯度強(qiáng)度要求。

3、一體化結(jié)構(gòu)：

      GE通過3D打印實(shí)現(xiàn)了噴油嘴結(jié)構(gòu)一體化，提高了使用壽命和整體性能。

金屬3D打印可以將原本通過多個(gè)構(gòu)件組合的零件進(jìn)行一體化打印，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu)，避免了原始多個(gè)零件組合時(shí)存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等），也可以幫助設(shè)計(jì)者突破束縛實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產(chǎn)效益打開了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過長達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少到一個(gè)。通過3D打印將結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍， 并且將提高LEAP發(fā)動機(jī)的性能。

4、拓?fù)鋬?yōu)化：

     縮短增材制造設(shè)計(jì)過程的重要手段，通過拓?fù)鋬?yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓?fù)浞椒ù_定在一個(gè)確定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)佳的材料分布：包括邊界條件、預(yù)張力，以及負(fù)載等目標(biāo)。

拓?fù)鋬?yōu)化對原始零件進(jìn)行了材料的再分配，往往能實(shí)現(xiàn)基于減重要求的功能優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化后的異形結(jié)構(gòu)經(jīng)過仿真分析完成終的建模，這些設(shè)計(jì)往往無法通過傳統(tǒng)加工方式加工，而通過金屬3D打印則可以實(shí)現(xiàn)。

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