3D打印实现轻量化的四种途径

轻量化结构的优势其实不难理解:以汽车为例,重量更轻就意味着操控性和加速能力更好,同时刹车的制动距离也会更短,而以飞机为例,重量轻则可以提高燃油效率和载重量。

要实现轻量化,宏观层面上可以通过采用轻质材料,如钛合金、铝合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来达到目的。微观层面上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,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、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。

途径1:中空夹层、薄壁加筋结构

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,西安铂力特在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。

途径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。通过大量周期性复制单个胞元进行设计制造,通过调整点阵的相对密度、胞元的形状、尺寸、材料以及加载速率多种途径,来调节结构的强度、韧性等力学性能。

三维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。西安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。

有趣的是,虽然大部分人都将重点放在了点阵结构如何实现我们需要的强度和灵活性上,但却仍有一小部分人在研究如何获得需要的“脆弱性”。之前,英国轻量化项目联盟就在研究如何压破点阵结构。其应用场景是返航太空舱在进入地球空气层时候,压力和速度的变化对舱体的力学结构带来很大挑战。通过增材制造Ti-6AI-4V的点阵结构获得0.4k/cm3的超轻密度,这样的结构需要设计成在某种压力下会被“压破”。3D打印为镂空点阵单元在力学方面的性能实现打开了一个新领域。

途径3:一体化结构实现

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。

途径4:异形拓扑优化结构

拓扑优化是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3D打印则可以实现。通常3D打印出来的产品与传统工艺制造出来的零件还需要组装在一起,所以设计的同时还需要考虑两种零件结合部位的设计。

以上四种3D打印结构仅仅实现机械轻量化的其中一个方向,而轻量化其实是一个系统工程,从每一个关键零部件的设计优化、制造,到轻量化材料的研发与应用都是不可或缺的。

来源:3D科学谷