金属3D打印通过结构设计层面实现轻量化的4种途径

金属3D打印通过结构设计层面实现轻量化的4种途

▲3D打印的金属飞机座椅，强度不降，但重量减轻了56%

轻量化这一概念最先出现在赛车运动当中，而且它的优势从字面就能看出来，重量减轻了，赛车自然就能拥有更好的操控性能、更大的加速度和燃油消耗的减少。除了在赛车这样的汽车领域外，国家层面的航空航天对于轻量化的需要也不小。

要实现轻量化，从宏观层面上讲，可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金等材料来达到目的。从微观层面上讲，可以通过采用高强度结构钢这样的材料使零件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。

而金属3D打印带来了通过结构设计层面上达到轻量化的可行性。具体来说，金属3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种：中空夹层／薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构、拓扑优化结构。

1、中空夹层/薄壁加筋结构：

     铜合金尾喷管的内外壁之间设计了50条随形冷却流道，增大冷却接触表面积，降低温度达到快速冷却的效果，有效提高了零件的工作温度。

中空夹层、薄壁加筋结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子组合而成。在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力，也承担部分压应力。夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音与隔热等优点。

在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域，大量使用夹层结构，减轻重量。

如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，这种夹层结构被称作金属夹层结构，铂力特在3D打印过程中，采用夹层结构，实现构件的快速轻量化，经过设计的夹层结构对直接作用外部于蒙皮的拉压载荷具有很好的分散作用，薄壁结构（比如壁厚1mm以下）也能对减重做出贡献；夹层及类似结构可用作散热器，在零件上应用，极大地提高零件的热交换面积，提高散热效率。

2、镂空点阵结构：

       镂空点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。

3D镂空结构具有高度的空间对称性，可将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证承载能力。除了工程学方面的需求，镂空点阵结构间具有空间孔隙（孔隙大小可调），在植入物的应用方面，可以便于人体肌体（组织）与植入体的组织融合。

镂空点阵单元设计有很高的的灵活性，根据使用的环境，可以设计具有不同形状、尺寸、孔隙率的点阵单元。铂力特在这方面做了不断的尝试：在构件强度要求高的区域，将点阵单元密度调整的大一些，并选择结构强度高的镂空点阵单元；在构件减重需求高的区域，添加轻量化幅度大的镂空点阵结构，镂空结构不仅可以规则排列，也可以随机分布以便形成不规则的孔隙。另外，镂空结构还可以呈现变密度、厚度的梯度过渡排列，以适应构件整体的梯度强度要求。

3、一体化结构：

      GE通过3D打印实现了喷油嘴结构一体化，提高了使用寿命和整体性能。

金属3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。

一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。这方面典型的案例是GE通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再优化，将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个。通过3D打印将结构实现一体化，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍， 并且将提高LEAP发动机的性能。

4、拓扑优化：

     缩短增材制造设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性的部位的材料。拓扑方法确定在一个确定的设计领域内最佳的材料分布：包括边界条件、预张力，以及负载等目标。

拓扑优化对原始零件进行了材料的再分配，往往能实现基于减重要求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经过仿真分析完成最终的建模，这些设计往往无法通过传统加工方式加工，而通过金属3D打印则可以实现。

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周工 13405104499