解析金屬（shǔ）3D打（dǎ）印技術實現（xiàn）輕量化的四種途徑（jìng）
點擊量：406 發布時間（jiān）：2017-03-21 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製造技術有限公司
金屬3D打印粉
輕（qīng）量化這一概念最先起源於賽車（chē）運動（dòng），它的優勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好（hǎo）的操控性，發動機輸出的動力能夠（gòu）產生更高的加速度。除了汽車領域以外，航空航天領（lǐng）域也（yě）有大量輕（qīng）量化的需求。今天的（de）幹貨“力”薦時間將向大家介紹西安鉑（bó）力特激光成形（xíng）技術有限公司（以下簡稱“鉑力特（tè）”）金（jīn）屬3D打印技術實現（xiàn）輕量化的四種途徑。
鉑力特（tè）每年投入大量的研發人員及研發經費用於金屬3D打印輕量化研究，要實現輕量化（huà），宏觀層（céng）麵上（shàng）可以通過采用（yòng）輕（qīng）質材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合（hé）金等材（cái）料來達到目的。微觀層麵上可以通過采用高強度結構鋼這樣的材料（liào）使零件設計得更緊湊和小型化，有助於輕量化。
而（ér）金屬3D打印帶來了通過結構設計層麵上達（dá）到輕量化的可行性。具體來說，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（jiá）層／薄壁加筋結（jié）構、鏤（lòu）空點陣結構、一體化結構、拓撲優化結構。
實現輕量化的四種途徑（jìng）
途徑1：中空（kōng）夾（jiá）層、薄壁加筋結構
銅合（hé）金尾噴管的（de）內（nèi）外壁之間設計了50條（tiáo）隨形冷卻流道，增大冷卻接觸（chù）表麵積，降低溫度（dù）達到快速冷卻的（de）效果，有效提高了零件的工作溫度。
中（zhōng）空（kōng）夾層、薄壁加筋結構通常（cháng）是（shì）由比較薄（báo）的麵板與（yǔ）比較厚的芯子組合而成。在彎曲荷載下，麵層材（cái）料主要承擔拉應力和壓（yā）應力，芯材主要承擔剪切應力（lì），也（yě）承擔部分壓應力。夾層結構具有質（zhì）量輕、彎曲（qǔ）剛度與強度大、抗失穩能（néng）力強、耐（nài）疲勞、吸音（yīn）與隔熱等優點。
在航空、風力發（fā）電機葉片、體育運（yùn）動器材（cái）、船舶製造、列車機車等（děng）領（lǐng）域，大量使用夾層結構，減輕重量。
如果用（yòng）鋁、鈦合金做蒙皮和芯（xīn）材，這種夾層結構被稱作金屬夾層結構，鉑力特在3D打印過程中，采用夾層（céng）結構，實現（xiàn）構件的快速輕量化，經（jīng）過設計的夾（jiá）層結構對直接作（zuò）用外部於蒙皮的拉壓載荷具有很好的分散作用，薄壁結構（比如（rú）壁厚1mm以下）也（yě）能對減重做出貢獻；夾層及類似結構可用作散熱器，在零件上應用，極大地提高零件的熱交換（huàn）麵積，提高散熱效率。
途徑2：鏤空點陣結構
鏤空（kōng）點陣結構可以（yǐ）達到工程強度、韌性、耐久性、靜力學、動力學性能以及製造費用的（de）完美平衡。
三維鏤空結構具有高度的（de）空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在實現（xiàn）減重的同時（shí）保證承載能力（lì）。除了工程學方麵的需求，鏤空點陣結構間具有空間孔（kǒng）隙（xì）（孔隙大小可調），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。
鏤空點陣單元設計有很高的的靈活性，根據使用的環境，可以設（shè）計具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。鉑力特在這（zhè）方麵做了不斷的嚐（cháng）試：在構件強度要求高的區（qū）域，將點陣單元密度調整的大一些，並選擇結構強度高的鏤空點陣單（dān）元；在構件減重需求高的區域，添加輕量化幅度大的（de）鏤空點陣結構，鏤空結構不僅可以規則排列，也可（kě）以隨機分布以便形成不規則的孔隙。另外，鏤空結構還可以呈現（xiàn）變密度、厚度的梯度過渡排列（liè），以適應構件整體的梯度強（qiáng）度要求。
途徑3：一（yī）體化（huà）結（jié）構
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GE通過3D打印實現了噴油嘴結構一體化，提高（gāo）了使用壽（shòu）命和整體性能。
金屬3D打印可以（yǐ）將原本通過多個構件組合的零件進行一體化打印，這樣不僅（jǐn）實現了零（líng）件的整體化結構，避免了原始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（jì）者突破束縛實現功能最優化設計。
一體化結構的實現除了帶來輕量化的優勢，減少（shǎo）組裝的需求也為企業（yè）提（tí）升生產效益打（dǎ）開了可行性空間。這（zhè）方麵典型的案例是GE通過長達（dá）10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不（bú）斷的優化、測試、再優（yōu）化，將噴（pēn）油嘴的零件數量從20多個減少到一個。通過（guò）3D打印將結構（gòu）實現一（yī）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（yòng）壽命提高了5倍， 並且將提高LEAP發動機的性能。
途徑4：拓撲（pū）優化結構
解析金屬3D打印技（jì）術實現（xiàn）輕量化的四種途徑
拓撲優化展示件根據引用要求邊界（jiè）條件，進行（háng）拓撲（pū）優化處理及打印模型光順處理，實現了可打印性，最終減重（chóng）了75％。
作為solidThinking及3－Matic軟件中國航空航天獨家代理商，鉑力特（tè）與Altair以及Materialise的“聯姻”為金屬3D打印提供了更多可能性。
拓撲優（yōu）化（huà）是縮短增材（cái）製造設計過程的重要手段，通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在一個確定的設計領域內最佳的材料分布：包括（kuò）邊界條件、預張力，以及（jí）負載等目標。
拓（tuò）撲優化對原始零件（jiàn）進行了材料的再分配（pèi），往往能實現基於減重要求的功能最優（yōu）化。拓撲優化後的異形（xíng）結構經過仿真分析完成最終的建模（mó），這些設計往往（wǎng）無法通過傳統加工方（fāng）式加工，而通過（guò）金屬3D打印（yìn）則可以（yǐ）實現。
