基于SLM的金屬3D打印輕量化技術(shù)及其應(yīng)用研究

黃璞

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

國(guó)內(nèi)的金屬3D打印輕量化技術(shù)發(fā)展歷程較短，不過(guò)我國(guó)相關(guān)的科研人員不斷深入持續(xù)研究，已經(jīng)取得了非常豐富的研究成果。雖然和國(guó)際先進(jìn)水平相比，仍然有一定差距，但相信很快就能迎頭追趕上來(lái)。目前，基于SLM的金屬3D打印輕量化技術(shù)主要應(yīng)用于太空領(lǐng)域，這是因?yàn)檫M(jìn)行太空探索需要盡可能的減少飛船、火箭等航天工具的重量，這樣才能減少在太空中的能源消耗，進(jìn)而延長(zhǎng)航空航天運(yùn)載工具在太空中的作業(yè)時(shí)間。

1 金屬3D打印輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的打印需要根據(jù)客戶需求制作相應(yīng)的模型，這個(gè)過(guò)程非常的耗費(fèi)人力物力和時(shí)間。而且一旦出現(xiàn)誤差，模型就會(huì)報(bào)廢，只能重新制作。很多模型只能服務(wù)于特定的工作要求，等到任務(wù)結(jié)束就要制作新的打印模型，因此，傳統(tǒng)打印技術(shù)的成本投入非常高昂?；赟LM的金屬3D打印輕量化技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)打印有了很多革命性的突破。其中很重要的一點(diǎn)就是能夠節(jié)省大量的成本投入，提高資源的利用效率。運(yùn)用激光光束融化金屬，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的CAD模型，就能快速生產(chǎn)制造出需要的金屬零部件，而且這些零件重量很輕，擁有的性能更加完善。

2 輕量化技術(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輕量化技術(shù)的設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要進(jìn)行全面的考慮。在材料選擇上，我們可以使用本身重量相對(duì)較輕的合金材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇上，我們可以使用一體化的設(shè)計(jì)思路。這些都是符合輕量化設(shè)計(jì)要求的有效方法，輕量化技術(shù)設(shè)計(jì)就是要最大限度的減少相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)重量。

2.2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該和SLM緊密結(jié)合，這樣才能更好的生產(chǎn)符合客戶要求的零部件。金屬零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用質(zhì)量較輕的合金材料，能夠進(jìn)一步減輕輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重量。

2.3 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)則

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者必須具備過(guò)硬的設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠?qū)饘倭悴考鱾€(gè)組織結(jié)構(gòu)有整體的規(guī)劃，知曉每個(gè)部位的作用。SLM運(yùn)用在金屬3D打印輕量化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)客戶要求直接劃分功能區(qū)，并以此為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)組織結(jié)構(gòu)。輕量化設(shè)計(jì)不能脫離工業(yè)生產(chǎn)制造實(shí)踐，設(shè)計(jì)的組織結(jié)構(gòu)需要保障金屬零部件易于加工，否則會(huì)導(dǎo)致空有完美設(shè)計(jì)卻無(wú)法生產(chǎn)的窘?jīng)r產(chǎn)生。

2.4 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要包括幾個(gè)方面：首先要做到零部件資源的優(yōu)化配置，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的資源合理配置，減少不必要的材料浪費(fèi)，提高資源的有效利用，降低輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的投資成本。其次需要對(duì)零部件的組裝進(jìn)行優(yōu)化，有些組織結(jié)構(gòu)不僅發(fā)揮的作用較低，而且所占空間比較大，需要將這部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行剔除。再者需要注意的地方是運(yùn)用SLM讓零部件產(chǎn)品形成的影響因子，雖然說(shuō)運(yùn)用SLM技術(shù)進(jìn)行金屬的熔煉沒(méi)有技術(shù)難度，但是進(jìn)行零部件生產(chǎn)的時(shí)候，由于客戶方的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和制造要求，有些非常復(fù)雜的金屬零部件結(jié)構(gòu)很難成型。最后輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足客戶的要求，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，如果產(chǎn)品出現(xiàn)了問(wèn)題，也要做好相應(yīng)的售后維修和護(hù)理。

3 金屬3D打印輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 3D打印金屬材料開(kāi)發(fā)

金屬的3D打印對(duì)于相關(guān)材料的要求比較高，有些金屬零部件模型打造需要特定的材料才能實(shí)現(xiàn)，因此金屬3D打印造價(jià)成本相對(duì)高昂。伴隨著金屬3D打印技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣闊，許多金屬3D打印材料的價(jià)格已經(jīng)有了很大的下降空間。

3.2 打印機(jī)理持續(xù)拓展

金屬3D打印有很多打印的基本原理，比如說(shuō)一起進(jìn)行打印，或者是對(duì)同一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行持續(xù)的打印。這些打印的原理具有重要的研究意義，通過(guò)對(duì)其不斷的探討，能夠進(jìn)一步提高金屬3D打印技術(shù)的研究水平。

3.3 金屬3D打印機(jī)技術(shù)快速發(fā)展

金屬3D打印能夠根據(jù)生產(chǎn)制造的要求進(jìn)行相應(yīng)的制作，比如說(shuō)平常一些用來(lái)展示的產(chǎn)品，這部分金屬模型不需要很高的精準(zhǔn)度就可以生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)需要用到的金屬模型，對(duì)于模型的精準(zhǔn)度要求相當(dāng)嚴(yán)格。如果相關(guān)的金屬3D打印模型，出現(xiàn)了較大的誤差，就會(huì)造成大量的工業(yè)產(chǎn)品報(bào)廢，給工業(yè)生產(chǎn)制造的企業(yè)帶來(lái)很大的損失。伴隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于金屬3D打印輕量化的不斷深入研究，越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始運(yùn)用金屬3D打印技術(shù)。

3.4 產(chǎn)品質(zhì)量提升飛速

得益于金屬3D打印輕量化技術(shù)的不斷探討和應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)金屬3D打印出來(lái)的金屬零部件性能越來(lái)越完善，對(duì)于所需的材料方面的投入逐漸減少。生產(chǎn)制造出來(lái)的零部件，不僅重量很輕，而且產(chǎn)品的口碑非常優(yōu)秀，這是因?yàn)楹芏嘟饘倭悴考妮p量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常合理，能夠很好的滿足客戶的需求。

4 基于SLM的金屬3D打印輕量化技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)

金屬3D打印需要根據(jù)用戶的要求進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，這個(gè)就是進(jìn)行建模的過(guò)程。輕量化設(shè)計(jì)必須考慮好設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度以及選擇的材料類型等很多注意事項(xiàng)，知曉影響模型建立的主要因素。通過(guò)科學(xué)的規(guī)劃，合理設(shè)計(jì)模型的組織結(jié)構(gòu)，來(lái)盡可能的避免不利因素帶來(lái)的后果，提高金屬3D打印的技術(shù)可靠性。

金屬3D打印輕量化設(shè)計(jì)是服務(wù)于用戶的，應(yīng)該根據(jù)用戶的要求進(jìn)行整體的科學(xué)規(guī)劃。在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須充分考慮到影響金屬零部件輕量化的主要阻礙，運(yùn)用有效的解決方案，避免可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，保障生產(chǎn)出來(lái)的金屬零部件，能夠得到用戶的肯定，這樣才能擁有良好的口碑，為以后的金屬3D打印生產(chǎn)帶來(lái)更多的優(yōu)質(zhì)客源。

5 金屬3D打印輕量化技術(shù)具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

金屬3D打印輕量化技術(shù)，之所以能夠被工業(yè)生產(chǎn)廣泛運(yùn)用，很重要的一個(gè)原因就是這種技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。越是高精尖設(shè)備對(duì)于金屬零部件的精準(zhǔn)度和重量的要求就越嚴(yán)格，金屬3D打印基于SLM進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，能夠嚴(yán)格的控制生產(chǎn)的金屬零部件的重量，提高零部件的整體性能。由于金屬3D打印需要的模型，大部分都是依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)的CAD模型。因此，生產(chǎn)出來(lái)的金屬零部件，擁有傳統(tǒng)打印不具備的高精準(zhǔn)度。金屬3D打印能夠?qū)α悴考母鞑糠止δ苓M(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行整體組織結(jié)構(gòu)的框架安排，可以使各個(gè)部分緊密聯(lián)合在一起，從而發(fā)揮出更顯著的效果。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)的金屬3D打印輕量化設(shè)計(jì)取得了重大的突破，進(jìn)行金屬3D打印需要的材料，有些可以用相似材料來(lái)替代，因此金屬3D打印制作效率有所提升，相關(guān)的金屬零部件成型速度越來(lái)越快。將3D打印應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，可以通過(guò)建立金屬模型，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有效的評(píng)估和預(yù)測(cè)。

6 基于SLM的金屬3D打印輕量化技術(shù)的具體應(yīng)用

6.1 金屬3D打印輕量化技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

金屬3D打印輕量化技術(shù)，目前應(yīng)用領(lǐng)域最多的是航空航天行業(yè)，例如宇宙飛船和運(yùn)載火箭等航天航空工具，它們進(jìn)行太空的探索需要消耗很大的能量。如果能夠在設(shè)計(jì)制造航天運(yùn)載工具的時(shí)候，盡可能使用質(zhì)量較輕的合金類金屬材料，就能極大的減輕它們的整體重量，從而減少了火箭等運(yùn)載工具所需要的推動(dòng)力的消耗，避免了大量的航空航天燃料的浪費(fèi)。許多航空航天設(shè)備需要眾多精密零件，金屬3D打印能夠制作出更高精準(zhǔn)度的零件，從而帶動(dòng)了航空航天工具的整體性能的提升，因此3D打印輕量化技術(shù)的重要作用日益凸顯，已經(jīng)成為各個(gè)航空航天大國(guó)的主要攻堅(jiān)方向。

6.2 金屬3D打印輕量化技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

金屬3D打印技術(shù)基于SLM進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，這是當(dāng)今世界各個(gè)工業(yè)強(qiáng)國(guó)都在攻堅(jiān)的方向，它對(duì)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)的促進(jìn)效果相當(dāng)顯著，能夠?yàn)樵S多領(lǐng)域的變革提供幫助。例如在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，2017年，奔馳在制造業(yè)轉(zhuǎn)型中邁出了重要一步：使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)金屬部件，其中就包括采用鑄鋁合金3D打印的奔馳卡車的恒溫器。在醫(yī)療方面的應(yīng)用，3D打印醫(yī)療器材，比如假肢，還能將打印用于組織功能產(chǎn)品，比如下頜骨、器官支架、顱骨，這些都已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用。

7 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)生產(chǎn)需要使用大量的金屬零部件，尤其是一些精密器械和航天設(shè)備，對(duì)金屬零部件的要求非常嚴(yán)格。金屬3D打印輕量化設(shè)計(jì)很好的滿足了金屬零部件的生產(chǎn)制造要求，在計(jì)算機(jī)上建立CAD模型，可以使打印出來(lái)的金屬零部件產(chǎn)品的精確度得到有效保證，其輕量化設(shè)計(jì)理念使得金屬零部件的重量得到有效的控制，因此，輕量化技術(shù)的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。