基于金屬選區(qū)激光熔化技術(shù)的輕量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊奇龍 謝峰林 張苗苗 劉俊明 黃新朵

摘要：金屬材料選區(qū)激光熔化技術(shù)在成形的過(guò)程中不受設(shè)計(jì)約束可以制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，并且可以對(duì)零部件一體化成形，在通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化制造方面，該技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文主要總結(jié)了異形拓?fù)鋬?yōu)化、鏤空點(diǎn)陣、中空夾層、一體化等幾種以金屬材料選區(qū)激光熔化技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)制造零部件的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并列舉了其在工業(yè)中的應(yīng)用，最后對(duì)金屬材料選區(qū)激光熔化技術(shù)與輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)合做總結(jié)。

關(guān)鍵詞：金屬選區(qū)激光熔化;輕量化設(shè)計(jì);工業(yè)化應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG665?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-9129（2020）05-0047-01

Abstract：The?selective?laser?melting?technology?of?metal?materials?can?prepare?complex?structural?parts?without?design?constraints?in?the?forming?process，and?can?be?integrated?into?the?forming?of?parts.?This?technology?has?unique?advantages?in?the?light?manufacturing?of?parts?through?structural?design.?This?paper?summarizes?abnormity?topology?optimization，hollow?out?lattice，hollow?interlayer?and?the?integration?of?several?metal?materials?selection?laser?melting?technology?based?manufacturing?parts?of?lightweight?structure?design，and?lists?its?application?in?the?industry，the?district?to?the?metal?material?laser?melting?technology?and?the?lightweight?design?is?the?combination?of?summing-up.

Keywords：metal?selection?laser?melting;Lightweight?design;Industrial?application

引言：選區(qū)激光熔化（Selective?Laser?Melting，SLM）是一種可以將三維數(shù)據(jù)模型快速制造成三維實(shí)體構(gòu)件的增材制造技術(shù)[1]。在SLM過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)連續(xù)的金屬粉末層進(jìn)行選擇性掃描，在激光掃過(guò)之處金屬粉末熔化并形成熔池，隨后熔池迅速冷卻并凝固實(shí)體，通過(guò)這個(gè)過(guò)程層層累積最終形成三維金屬實(shí)體零件。與傳統(tǒng)加工（鑄造和鍛造）相比，SLM技術(shù)具有可以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件、一體化成形、生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)[2]，因此SLM技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

隨著工業(yè)的發(fā)展，輕量化為工業(yè)的節(jié)能減排提供了一個(gè)方向，輕量化的零部件在保證使用功能的同時(shí)，又可以提高其使用性能，因此輕量化越來(lái)越多的被應(yīng)用于航空航天、汽車、軌道交通等領(lǐng)域[3]。實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化主要有兩種方式，一是采用鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料替代原有的鐵、鋼等材料，二是采用輕量化的結(jié)構(gòu)降低零部件的質(zhì)量[4]。輕量化的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的加工工藝很難完成，這就使得的這些輕量化的結(jié)構(gòu)在使用傳統(tǒng)加工方式很難完成，而SLM技術(shù)成形不受設(shè)計(jì)約束和一體化成形等特點(diǎn)為通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)輕量化提供了可能，本文主要總結(jié)幾種常見(jiàn)的基于SLM技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)及其在工業(yè)上的應(yīng)用。

1?異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化主要以結(jié)構(gòu)中的材料的分布為優(yōu)化的對(duì)象，其可以根據(jù)零部件在使用過(guò)程中的約束條件對(duì)材料的分布進(jìn)行重新分配，在重新分配的過(guò)程中去掉一些不影響零部件整體性能的部分，以達(dá)到輕量化的目的。其優(yōu)化的過(guò)程如圖1（a）所示，在優(yōu)化的過(guò)程中只要給定具體的約束條件和減重比例，就可以實(shí)現(xiàn)整體材料的重新分配。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)因其明顯的減重效果而被廣泛的應(yīng)用于對(duì)性能要求較高的航空航天、汽車、橋梁建筑等領(lǐng)域。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以有效的降低零部件使用過(guò)程中的應(yīng)力、提升部件的性能和使用壽命。例如衛(wèi)星中的支架結(jié)構(gòu)、飛機(jī)中機(jī)翼支架、汽車車體結(jié)構(gòu)等都可以使用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重。

2?鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖1（b），特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)通過(guò)立方體、四面體等單個(gè)胞元大量重復(fù)堆疊而形成。由于結(jié)構(gòu)中存在大量鏤空間隙，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用需求調(diào)整胞元的類型、相對(duì)密度等，使得鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以達(dá)到強(qiáng)度和質(zhì)量的完美結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)又保證了較高的強(qiáng)度。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的胞元結(jié)構(gòu)細(xì)小且數(shù)量巨大，造就了鏤空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得金屬鏤空結(jié)構(gòu)零部件在其在制造過(guò)程中與SLM技術(shù)有著較高的契合度。

鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特殊性使其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、吸能、比表面積大等特點(diǎn)，在滿足輕量化的同時(shí)，又可以保障其功能性，所以鏤空點(diǎn)陣的應(yīng)用非常廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍工裝備、醫(yī)療等領(lǐng)域，主要用于一些非關(guān)鍵承力的功能結(jié)構(gòu)中，例如衛(wèi)星天線、軍車裝甲系統(tǒng)和人體骨骼植入物等。

3?中空夾層結(jié)構(gòu)

中空夾層結(jié)構(gòu)顧名思義就是在兩張薄的面板中間夾著一定厚度的且具有中空結(jié)構(gòu)的芯子，最終組成一個(gè)整體，其結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。中間的芯子在使用過(guò)程中主要的作起到支撐面板、抗剪切應(yīng)力的作用，因此可以根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)計(jì)成不同的樣式，可以是平行分布的加固肋、密集排布的蜂窩結(jié)構(gòu)等，如圖1（c）所示。由于中間夾層一般是中空的結(jié)構(gòu)，所以這種結(jié)構(gòu)在很大程度上會(huì)降低整體的質(zhì)量，且提高整體結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度，最終達(dá)到輕量化的目的。

中空夾層結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、隔音隔熱等特點(diǎn)，在航空、新能源和軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如飛機(jī)的機(jī)翼，機(jī)翼的表面蒙皮是由輕質(zhì)合金如鈦合金、鋁合金制備，芯子是拓?fù)鋬?yōu)化的骨架結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的使用過(guò)程中芯子可以較好分散蒙皮所受的應(yīng)力，提高整體的強(qiáng)度。此外在風(fēng)力發(fā)電葉片和高鐵列車的車體中也大量應(yīng)用中空夾層結(jié)構(gòu)。

4?一體化結(jié)構(gòu)

一體化就是將原本需要用焊接等工藝把不同零部件組合在一起而形成的結(jié)構(gòu)使用SLM技術(shù)一次成形。一體化制造的優(yōu)勢(shì)在于在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以去掉原始零部件的配合部分，可以達(dá)到整體結(jié)構(gòu)輕量化的目的，而且還可以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)零部件排布更合理。

一體化結(jié)構(gòu)不僅可以達(dá)到輕量化的目的，而且還可以大大縮短零部件的制造流程，節(jié)省時(shí)間與成本，提升企業(yè)的效益。一體化結(jié)構(gòu)最典型應(yīng)用就是GE公司使用SLM技術(shù)一體化成形的航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴，不僅減輕了重量還提高了使用壽命。

5?結(jié)語(yǔ)

輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅需要考慮質(zhì)量的減輕，還需要考慮設(shè)計(jì)適合SLM制造，只有這樣才能將兩者更好的結(jié)合，制造出性能更優(yōu)的零部件。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳崢強(qiáng).金屬零件選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].熱加工工藝，2008，037（013）：118-121.

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