解析金屬3D打印技術實現輕量化的（de）四種途徑
點擊量：437 發布（bù）時間：2017-03-21 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製（zhì）造技術有限公司（sī）
金屬3D打印粉
輕量（liàng）化這一概（gài）念最先起源於賽車運動，它的優勢其實不（bú）難理解，重量輕了（le），可以帶來（lái）更好的操控性，發動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。除了汽車領域以（yǐ）外，航空航天領域（yù）也有大量輕量化的需求。今天的幹貨“力（lì）”薦時間將向大家介紹西安鉑力特激光成形技術有限公司（以下簡稱（chēng）“鉑力特（tè）”）金屬3D打印技術實現輕量化的四種途徑。
鉑力特每年投入大量的研（yán）發（fā）人員及研發經費用於金屬3D打印輕量化（huà）研究（jiū），要實現輕量化，宏觀層麵上可以（yǐ）通過采用輕（qīng）質材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金等材（cái）料來達到目的（de）。微觀層麵上可以通過采用高強度結構鋼這（zhè）樣的材料使零件設計（jì）得更（gèng）緊湊和小型（xíng）化，有（yǒu）助於輕量化。
而（ér）金屬（shǔ）3D打印（yìn）帶來了通過結構設計（jì）層麵上達到輕（qīng）量化的可行性。具體（tǐ）來說，金屬3D打印通過結構設計層麵實現輕量化的主要途徑有四種：中空夾層／薄壁加（jiā）筋結構、鏤空點陣結（jié）構、一體化（huà）結構、拓撲優化結構。
實（shí）現輕（qīng）量化的四（sì）種途徑
途徑1：中空夾（jiá）層、薄壁加（jiā）筋結（jié）構
銅合金尾噴管的（de）內外壁之間設計了50條隨形冷卻流道，增大冷卻接（jiē）觸表麵積，降低溫（wēn）度達到快速冷卻的效果，有效提高了零件的工作溫度。
中空夾層（céng）、薄壁加筋結構通常是由比較薄的麵板與比較（jiào）厚的芯子（zǐ）組合而成。在彎曲荷載下，麵層材料主要承擔拉應力和（hé）壓應力，芯材主（zhǔ）要承擔剪切（qiē）應力，也承擔部（bù）分壓應力。夾層結構（gòu）具有質量輕、彎曲剛度與（yǔ）強度大（dà）、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音與隔熱等優點。
在航空、風力發電機葉片、體育運動器材、船舶製造、列車機車等領（lǐng）域，大量使用夾層結構，減輕重量。
如果（guǒ）用鋁、鈦（tài）合金做蒙皮和芯材，這種夾層結構被稱作金屬夾層結構，鉑力特在（zài）3D打印過程中，采用夾層結構，實現構件的（de）快（kuài）速輕量化，經過設計的夾層結構對直接作用外部（bù）於蒙皮的（de）拉壓載荷具（jù）有很好的分散作用，薄壁結構（比如（rú）壁厚1mm以下）也能（néng）對減重做出貢獻；夾層（céng）及（jí）類似結（jié）構可用作散熱器，在零件上（shàng）應用，極大地（dì）提高零件的熱交換麵積（jī），提高（gāo）散熱效率。
途徑2：鏤空點陣結構
鏤空點陣結構可以達到工程強度、韌性（xìng）、耐久性、靜力（lì）學、動力學性能以（yǐ）及製造費用（yòng）的完美平衡。
三維鏤空結構具（jù）有高度的（de）空間對（duì）稱性，可將外部載（zǎi）荷（hé）均勻分解，在實現減重的同時保證承載能力。除了工程（chéng）學方麵的需求，鏤空（kōng）點陣結構間具有空間孔隙（孔隙大（dà）小可調），在植入物的應用方麵，可以便於人體肌體（組織）與植入體的組織融合。
鏤空點（diǎn）陣單元設計有很高的的靈活性，根據使用（yòng）的環境，可以設計具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。鉑力特在這方麵做（zuò）了不斷的嚐試：在構件強度（dù）要求高的區域（yù），將點陣單元密度調整的大一些，並（bìng）選擇結（jié）構強度高的鏤空點陣單元；在構件減重需求高的（de）區域，添加輕量化幅度大的鏤空點陣（zhèn）結構，鏤空結（jié）構不僅可以規則排列，也可以隨（suí）機分布以便形成不規則的孔（kǒng）隙。另外，鏤空結構還可以呈現變（biàn）密度、厚度的梯度過渡排列，以適應構件整體的梯度強度要求。
途徑3：一（yī）體化結構
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GE通過3D打印實現了噴油嘴結構（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構件組合的（de）零件進行一體化打印，這樣不僅實現了（le）零件的（de）整（zhěng）體（tǐ）化結構，避（bì）免了原始（shǐ）多個零件組合時存在的連接結構（法（fǎ）蘭、焊縫等），也可以幫助設計者（zhě）突破束縛實現功能最優化設計。
一體（tǐ）化結（jié）構的實現除了帶來輕量化的優（yōu）勢，減少組（zǔ）裝的需求也為（wéi）企業提升生（shēng）產效益打開了可（kě）行性空間。這方麵典型的案例是GE通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷（duàn）的（de）優化、測試、再優化，將噴油嘴（zuǐ）的零件數量從20多個減少到一個。通過3D打印將結構實現一體化，不僅改善了噴油（yóu）嘴容易（yì）過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高（gāo）了5倍， 並且將提高LEAP發動機的性能。
途徑4：拓撲優化（huà）結構（gòu）
解（jiě）析金屬3D打印技術實現輕量化的四種途徑
拓（tuò）撲優（yōu）化展示件（jiàn）根（gēn）據引用要求（qiú）邊界條件，進行拓撲優化處理及打印模型光順處理，實現了（le）可打印性，最終減重了75％。
作為solidThinking及3－Matic軟（ruǎn）件中國航空航（háng）天獨家代理商，鉑力特與Altair以及Materialise的“聯姻”為金屬3D打印提供了更多可能（néng）性。
拓撲優化是縮短增材（cái）製造設計過程的重（chóng）要手段（duàn），通過拓（tuò）撲優化來（lái）確定（dìng）和去除那些不影響零件（jiàn）剛性的（de）部位的材料。拓撲方法確定在一個確定的設（shè）計領（lǐng）域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預（yù）張力，以及負載等目標。
拓撲優化對原始零件進行了材料（liào）的再分（fèn）配，往往能實現基於減重（chóng）要（yào）求的功能最優（yōu）化。拓撲優化後的異形結構經過仿真分析完（wán）成（chéng）最終的建模，這些設計往往無法（fǎ）通過傳統加工方式加工，而通過（guò）金屬3D打印則可以實現。
