解析金屬（shǔ）3D打印技術（shù）實現輕量化的四種途徑
點（diǎn）擊量：385 發布時間：2017-03-21 作者：草莓视频ios（上海）增材製造技術有限公司
金屬3D打印粉（fěn）
輕量（liàng）化這一概念最先起源於賽車運（yùn）動，它的優勢其實不難理（lǐ）解，重量（liàng）輕了，可以帶來更好的操控性，發（fā）動機輸出的動（dòng）力能夠產生更高的加速度。除了汽車領域以外（wài），航空航天領域也有大量輕量化的需求。今天的（de）幹貨“力”薦時間將向大家介紹西安鉑力（lì）特激光成形技術有限公司（sī）（以下（xià）簡稱“鉑力特”）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（dà）量的研發人員及研發經費用於金屬3D打印輕量（liàng）化研究，要實現輕量化（huà），宏觀層麵（miàn）上可以通過采用輕質材（cái）料（liào），如鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料來達（dá）到目的。微觀（guān）層麵上可以（yǐ）通過采用高強度結構（gòu）鋼這樣的材料使（shǐ）零件設計得更緊湊和小型（xíng）化，有助於（yú）輕量化。
而金屬3D打印帶來了通過結構設計層麵上達到輕量化的可行（háng）性。具（jù）體來說（shuō），金屬3D打印通過結構設計（jì）層麵實現輕量化的主要途徑有四種：中空夾層／薄壁加筋結構、鏤空點陣結構（gòu）、一體化結構、拓撲優化（huà）結構。
實現輕量化的（de）四種途徑
途徑1：中空夾層、薄壁加筋結構
銅合金尾噴管的內外壁之間設計了50條隨形冷卻流道，增大冷卻（què）接觸表麵積（jī），降低溫度達到（dào）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（jiā）筋結構通常是由比較薄（báo）的（de）麵板與比較厚的芯子組（zǔ）合而成。在彎曲荷載下，麵層材料主要承擔拉應力和（hé）壓應（yīng）力，芯材（cái）主（zhǔ）要承擔剪（jiǎn）切應力，也承擔部分壓應力。夾（jiá）層結（jié）構具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩能（néng）力強、耐疲（pí）勞、吸音與隔熱等優（yōu）點。
在（zài）航空、風力（lì）發電機葉片、體育運動器（qì）材、船舶製造、列車機車等領域，大量使用夾層結構，減輕重量。
如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾層結構被稱作金屬夾層結構，鉑力特在3D打印過（guò）程中，采用夾層結構，實現構件的快速輕量化，經過設計的夾層結構對直（zhí）接（jiē）作用外部於蒙皮的拉壓載荷具有很好的分散作（zuò）用，薄壁結構（比如壁（bì）厚1mm以下（xià））也能（néng）對減重做出貢獻；夾（jiá）層及類似結構可用作散熱（rè）器，在零件上應用，極大地提高零件的熱交換麵積，提高散熱效率。
途（tú）徑2：鏤空點陣結構
鏤空（kōng）點（diǎn）陣結構可以達（dá）到工程強度、韌（rèn）性、耐久性、靜（jìng）力學、動力學性能以及製造費用的完美平衡（héng）。
三維鏤空結構具有高（gāo）度的（de）空間對稱性，可將外部（bù）載（zǎi）荷（hé）均勻分解（jiě），在實現減重的同時保證（zhèng）承載能力。除了工程學方麵的（de）需求，鏤空點（diǎn）陣結構間具有（yǒu）空間孔隙（孔隙大小可調（diào）），在植入（rù）物的應用方麵，可以便於人體（tǐ）肌體（組織）與植入體的組織（zhī）融合。
鏤空點陣單元（yuán）設計有很高的的靈活性，根據使用的環境，可以設計（jì）具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。鉑（bó）力特在這方麵（miàn）做了不斷（duàn）的嚐試：在構件強度要求高（gāo）的區域，將（jiāng）點陣單元（yuán）密度調整的大一些，並選擇結構強度高的鏤空點陣單元；在構件減重需求高的區域（yù），添加輕量化（huà）幅度大的鏤空點陣結構，鏤空結構不僅可以規（guī）則排列，也可以（yǐ）隨機分布以便形成不規則的孔隙。另外，鏤空（kōng）結構還（hái）可以呈（chéng）現變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應構件整體的梯度強度要（yào）求。
途（tú）徑3：一（yī）體化（huà）結構
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GE通（tōng）過3D打印實現了噴油嘴結（jié）構一體化，提高了使用（yòng）壽命和整體性能。
金屬3D打印可（kě）以將原本（běn）通過多個構件組合的零件（jiàn）進行一體化打（dǎ）印，這樣（yàng）不僅實現了零件（jiàn）的整體化結構，避免（miǎn）了原始多個（gè）零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現功（gōng）能最優化設計（jì）。
一體化結構的（de）實現除（chú）了帶來輕（qīng）量化的優勢，減少組裝的需求也為企業提升生產效益打開了可行性（xìng）空間。這方麵典型的案例（lì）是GE通（tōng）過長達10多年的（de）探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優化、測試、再優化，將噴（pēn）油嘴的零件（jiàn）數量（liàng）從20多個減少到一個。通過3D打印將結構實現（xiàn）一體（tǐ）化，不僅改善了噴（pēn）油嘴容易過熱和積碳的問題，還（hái）將噴油嘴的使用壽（shòu）命提高了5倍， 並（bìng）且（qiě）將提高LEAP發（fā）動機的性能。
途徑4：拓撲優（yōu）化結（jié）構
解析金屬3D打印技（jì）術實現輕量化的四種途（tú）徑
拓撲優化展示件根據引用要求邊界條件，進行拓撲優化處理（lǐ）及打印模型光順處理，實現了可打印性，最終減重了75％。
作為solidThinking及3－Matic軟（ruǎn）件中國航空航天獨（dú）家代理商（shāng），鉑力特與Altair以及Materialise的“聯姻”為金屬3D打印（yìn）提供了更多可（kě）能性。
拓（tuò）撲優化是縮短增材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（líng）件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在（zài）一個確定的設（shè）計領域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預（yù）張力，以及（jí）負載等目標。
拓撲優化對原始零件進（jìn）行了材料的再分配（pèi），往往（wǎng）能實現（xiàn）基於減重要（yào）求的功能最優（yōu）化。拓撲優化後的異形結構經過仿真分（fèn）析完成最終的建模，這些設計往往（wǎng）無法通過傳統加工方式加（jiā）工，而通（tōng）過金屬3D打印（yìn）則可以實現。
