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科普:4種輕量化設(shè)計(jì)方案,讓金屬3D打印更靠譜 

2022-02-23 09:54
輕量化這一概念最先起源于賽車運(yùn)動(dòng),它的優(yōu)勢(shì)其實(shí)不難理解,重量輕了,可以帶來更好的操控性,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能夠產(chǎn)生更高的加速度。

除了汽車領(lǐng)域以外,航空航天領(lǐng)域也有大量輕量化的需求。要實(shí)現(xiàn)輕量化,宏觀層面上可以通過采用輕質(zhì)材料,如鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料來達(dá)到目的。微觀層面上可以通過采用高強(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。
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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)。


途徑1:中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)

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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(dòng)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。
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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(duì)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(duì)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。

途徑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(dòng)力學(xué)性能以及制造費(fèi)用的完美平衡。三維鏤空結(jié)構(gòu)具有高度的空間對(duì)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。
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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。

途徑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)功能最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢(shì),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(zhǎng)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(cè)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(dòng)機(jī)的性能。

途徑4:拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化展示件根據(jù)引用要求邊界條件,進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理及打印模型光順處理,實(shí)現(xiàn)了可打印性,最終減重了75%。拓?fù)鋬?yōu)化是縮短增材制造設(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)最佳的材料分布:包括邊界條件、預(yù)張力,以及負(fù)載等目標(biāo)。
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拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)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最優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化后的異形結(jié)構(gòu)經(jīng)過仿真分析完成最終的建模,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)。
來源:西帝摩金屬3D打印
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