基于金屬選區激光熔化技術的輕量化設計與應用

楊奇龍 謝峰林 張苗苗 劉俊明 黃新朵

摘要：金屬材料選區激光熔化技術在成形的過程中不受設計約束可以制備復雜結構零部件，并且可以對零部件一體化成形，在通過結構設計實現零部件的輕量化制造方面，該技術有著獨特的優勢。本文主要總結了異形拓撲優化、鏤空點陣、中空夾層、一體化等幾種以金屬材料選區激光熔化技術為基礎實現制造零部件的輕量化結構設計，并列舉了其在工業中的應用，最后對金屬材料選區激光熔化技術與輕量化設計的結合做總結。

關鍵詞：金屬選區激光熔化;輕量化設計;工業化應用

中圖分類號：TG665?文獻標識碼：A?文章編號：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：選區激光熔化（Selective?Laser?Melting，SLM）是一種可以將三維數據模型快速制造成三維實體構件的增材制造技術[1]。在SLM過程中，計算機控制激光束對連續的金屬粉末層進行選擇性掃描，在激光掃過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體，通過這個過程層層累積最終形成三維金屬實體零件。與傳統加工（鑄造和鍛造）相比，SLM技術具有可以制造復雜結構零部件、一體化成形、生產周期短、材料利用率高等優勢[2]，因此SLM技術被越來越多的應用到實際生產中。

隨著工業的發展，輕量化為工業的節能減排提供了一個方向，輕量化的零部件在保證使用功能的同時，又可以提高其使用性能，因此輕量化越來越多的被應用于航空航天、汽車、軌道交通等領域[3]。實現零部件的輕量化主要有兩種方式，一是采用鋁合金、鈦合金、復合材料等輕質材料替代原有的鐵、鋼等材料，二是采用輕量化的結構降低零部件的質量[4]。輕量化的結構一般都比較復雜，使用傳統的加工工藝很難完成，這就使得的這些輕量化的結構在使用傳統加工方式很難完成，而SLM技術成形不受設計約束和一體化成形等特點為通過結構設計而實現輕量化提供了可能，本文主要總結幾種常見的基于SLM技術的輕量化結構及其在工業上的應用。

1?異形拓撲優化結構

拓撲優化主要以結構中的材料的分布為優化的對象，其可以根據零部件在使用過程中的約束條件對材料的分布進行重新分配，在重新分配的過程中去掉一些不影響零部件整體性能的部分，以達到輕量化的目的。其優化的過程如圖1（a）所示，在優化的過程中只要給定具體的約束條件和減重比例，就可以實現整體材料的重新分配。

拓撲優化設計因其明顯的減重效果而被廣泛的應用于對性能要求較高的航空航天、汽車、橋梁建筑等領域。拓撲優化結構的應用可以有效的降低零部件使用過程中的應力、提升部件的性能和使用壽命。例如衛星中的支架結構、飛機中機翼支架、汽車車體結構等都可以使用拓撲優化結構進行減重。

2?鏤空點陣結構

鏤空點陣結構如圖1（b），特點是結構通過立方體、四面體等單個胞元大量重復堆疊而形成。由于結構中存在大量鏤空間隙，且在設計過程中可根據結構的使用需求調整胞元的類型、相對密度等，使得鏤空點陣結構可以達到強度和質量的完美結合，在實現輕量化的同時又保證了較高的強度。點陣結構的胞元結構細小且數量巨大，造就了鏤空結構的復雜性，使得金屬鏤空結構零部件在其在制造過程中與SLM技術有著較高的契合度。

鏤空點陣結構的結構特殊性使其具有輕質高強、吸能、比表面積大等特點，在滿足輕量化的同時，又可以保障其功能性，所以鏤空點陣的應用非常廣泛地應用于航空航天、軍工裝備、醫療等領域，主要用于一些非關鍵承力的功能結構中，例如衛星天線、軍車裝甲系統和人體骨骼植入物等。

3?中空夾層結構

中空夾層結構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構的芯子，最終組成一個整體，其結構如圖1（c）所示。中間的芯子在使用過程中主要的作起到支撐面板、抗剪切應力的作用，因此可以根據實際的需要設計成不同的樣式，可以是平行分布的加固肋、密集排布的蜂窩結構等，如圖1（c）所示。由于中間夾層一般是中空的結構，所以這種結構在很大程度上會降低整體的質量，且提高整體結構的比強度，最終達到輕量化的目的。

中空夾層結構具有高比強度、隔音隔熱等特點，在航空、新能源和軌道交通等領域應用廣泛，例如飛機的機翼，機翼的表面蒙皮是由輕質合金如鈦合金、鋁合金制備，芯子是拓撲優化的骨架結構，在實際的使用過程中芯子可以較好分散蒙皮所受的應力，提高整體的強度。此外在風力發電葉片和高鐵列車的車體中也大量應用中空夾層結構。

4?一體化結構

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構使用SLM技術一次成形。一體化制造的優勢在于在設計的過程中可以去掉原始零部件的配合部分，可以達到整體結構輕量化的目的，而且還可以實現整體結構零部件排布更合理。

一體化結構不僅可以達到輕量化的目的，而且還可以大大縮短零部件的制造流程，節省時間與成本，提升企業的效益。一體化結構最典型應用就是GE公司使用SLM技術一體化成形的航空發動機噴油嘴，不僅減輕了重量還提高了使用壽命。

5?結語

輕量化設計的過程中不僅需要考慮質量的減輕，還需要考慮設計適合SLM制造，只有這樣才能將兩者更好的結合，制造出性能更優的零部件。

參考文獻：

[1]Li?R，Wang?M，Yuan?T，et?al.Selective?laser?melting?of?a?novel?Sc?and?Zr?modified?Al-6.2?Mg?alloy：Processing，microstructure，and?properties[J].Powder?Technology，2017，319：117-128.

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

[3]Kleiner?M，Geiger?M，Klaus?A.Manufacturing?of?Lightweight?Components?by?Metal?Forming[J].CIRP?Annals-Manufacturing?Technology，2003，52（2）：521-542.

[4]肖寒.輕量化結構件彎曲成形工藝研究[D].大連理工大學，2010.