毛劍鋒，王靜，姜麗娜

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

我國金屬3D 打印輕量化技術(shù)雖然發(fā)展歷程較短，但在我國有關(guān)科研人員深入的研究過程中，已經(jīng)取得較為豐富的研究成果，即使與一些具備先進(jìn)技術(shù)的國家相比存在一些差距，但也能很快追趕上來。如今，SLM金屬3D打印輕量化技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域，通過深入探究飛機(jī)、飛船、火箭等運(yùn)載工具減重的最大可能性，降低其運(yùn)行中的能源消耗，有效提高飛行器的續(xù)航時(shí)間。

1 SLM 金屬3D 打印輕量化技術(shù)相關(guān)研究

1.1 金屬3D 打印技術(shù)

3D打印是建立在CAD模型基礎(chǔ)上完成的零件制造，零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對(duì)零件成型影響很小，能夠進(jìn)行加工處理的材料也更加廣泛，與我國的傳統(tǒng)工藝進(jìn)行比較存在一定的優(yōu)勢(shì)。如今3D 打印技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到多個(gè)領(lǐng)域，如汽車、建筑設(shè)計(jì)等，取得十分明顯的發(fā)展效果[1]。

在3D 打印技術(shù)整個(gè)體系范圍中，金屬3D 打印主要是通過采用激光或電子束等方式輸入熱源，將金屬粉末進(jìn)行融化、凝固，從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果，金屬材料的3D 打印在醫(yī)療、武器裝備方面具有很好的發(fā)展前景。

1.2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)而言，要想滿足設(shè)計(jì)要求可以采用如下兩種方式：第一種方式是選用鈦合金、鋁合金等一些比較輕質(zhì)的材料，第二種方式是利用中空夾層及一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。例如，在制造飛機(jī)過程中，通過這一技術(shù)可以降低裝配結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)一步加工出相匹配的零件，有效降低飛機(jī)重量[2]。

對(duì)于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，SLM 技術(shù)可以更好地滿足較為復(fù)雜的零件設(shè)計(jì)，將小批量生產(chǎn)作為核心，利用鋁合金等材料，在多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用范圍。首先，在設(shè)計(jì)規(guī)則方面，傳統(tǒng)工藝發(fā)展中，對(duì)設(shè)計(jì)者提出更高要求，需要設(shè)計(jì)具備豐富經(jīng)驗(yàn)，保證在持續(xù)迭代中完成功能分析，直到找到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料才停止工作，但在SLM 技術(shù)中可以直接開展，發(fā)揮其自身的功能性，進(jìn)一步建立與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，主要是依據(jù)物理需求完成構(gòu)建。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中要注重這一前提，從需求方面進(jìn)行了解，做好對(duì)零件的加工，更好地保證零件形狀、結(jié)構(gòu)等方面都能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

對(duì)于設(shè)計(jì)要求方面，要滿足如下幾點(diǎn)：

一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。做好對(duì)材料的科學(xué)選擇，以及材料分配，才能保證在形狀結(jié)果中得到一定優(yōu)化，確定好材料的使用數(shù)量，通過輕量化設(shè)計(jì)有效縮減成本，還能更好地滿足結(jié)構(gòu)減重這一發(fā)展趨勢(shì)。

二是組件優(yōu)化。有效完成組件拼接工作，將其中一些不關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆減，有效減少零件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)控結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

三是SLM 成型。從理論這一角度出發(fā)，SLM 這一技術(shù)成型過程中沒有任何因素限制，但在實(shí)際工作落實(shí)過程中，其中運(yùn)用到的工藝參數(shù)、零件幾何特點(diǎn)都是其中的關(guān)鍵影響因素，可能會(huì)導(dǎo)致SLM 無法形成一些特定結(jié)構(gòu)[3]。

四是滿足需求。在設(shè)計(jì)過程中，將功能性作為發(fā)展前提，保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有一定的可靠性，在滿足基本形狀、尺寸內(nèi)容時(shí)，也要對(duì)毛坯件進(jìn)行第二次的加工，需要保證結(jié)構(gòu)形狀在處理過程中具有一定的便捷性。

2 SLM 金屬3D 打印輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 3D 打印金屬材料開發(fā)

在金屬3D 打印過程中，對(duì)材料提出更高的要求，這些金屬零部件需要用一些特定的材料才能完成制造，所以金屬3D 打印在實(shí)施過程中會(huì)產(chǎn)生更高的成本，隨著我國3D 打印技術(shù)發(fā)展趨于成熟，所運(yùn)用的領(lǐng)域也更加廣泛，很多3D 打印的原材料價(jià)格呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，甚至存在更多的降價(jià)空間。

2.2 打印機(jī)理持續(xù)擴(kuò)展

金屬3D 打印中包含多種多樣的基本原理，例如，共同完成打?。煌划a(chǎn)品持續(xù)打印[4]。不同打印原理中都存在差異化研究，通過更加深入的研究能夠有效促進(jìn)3D 打印技術(shù)水平提升。

2.3 金屬3D 打印技術(shù)快速發(fā)展

金屬3D 打印可以通過客戶要求完成有關(guān)材料的制作，如，模型、教具或一些展示產(chǎn)品，這些金屬模型一般不需要較高的精準(zhǔn)程度。在工業(yè)生產(chǎn)工程中也會(huì)運(yùn)用一些金屬模型，但對(duì)模型有著較為嚴(yán)格的要求，在金屬3D 打印模型的過程中，一旦出現(xiàn)較大的產(chǎn)品缺陷，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)對(duì)企業(yè)帶來影響。隨著我國金屬3D 打印輕量化的不斷發(fā)展，越來越多的行業(yè)也開始對(duì)3D 打印技術(shù)進(jìn)行充分運(yùn)用。

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量飛速提升

通過對(duì)3D 打印輕量化技術(shù)的深入探究，最終的目的是實(shí)現(xiàn)3D 打印的金屬零件成形結(jié)果更加完善，具有較強(qiáng)的精準(zhǔn)性，有效降低產(chǎn)品的材料成本[5]。金屬3D打印通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所生產(chǎn)出的零部件，質(zhì)量較輕，外形美觀，經(jīng)濟(jì)性高，可以全方位滿足客戶提出的要求。

3 SLM 金屬3D 打印輕量化技術(shù)應(yīng)用對(duì)策

3.1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)代替實(shí)體材料，減輕重量賦予功能性

在響應(yīng)產(chǎn)品性能要求的過程中，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以大幅度減少對(duì)實(shí)體材料的實(shí)際用量，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的一個(gè)有效方式。傳統(tǒng)金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制造，是通過有機(jī)加工以及造孔劑成型，前一種方法中受加工條件限制，只能完成一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)制造，而在造孔劑制作過程中也存在一些不可控因素。

現(xiàn)如今，對(duì)增材技術(shù)的廣泛運(yùn)用，提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)自由度，在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性方面也得到提升。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法之一正向設(shè)計(jì)，是通過一系列單元結(jié)構(gòu)疊加形成網(wǎng)格陣列，一方面實(shí)現(xiàn)輕量化發(fā)展，另一方面通過對(duì)結(jié)構(gòu)、布局的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，產(chǎn)生隔振、吸聲、吸能等功能。利用網(wǎng)格陣列所組成的單元結(jié)構(gòu)，可能會(huì)產(chǎn)生多種力學(xué)性能、有關(guān)最佳結(jié)構(gòu)性能特征的設(shè)計(jì)，更好地提升網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在加工性、質(zhì)量方面的深入研究[6]。影像反求法是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的另一種設(shè)計(jì)方式，更多地運(yùn)用在醫(yī)療領(lǐng)域，關(guān)鍵原理是利用對(duì)自然骨的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)開展掃描工作，進(jìn)一步得到骨小梁結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型，做好對(duì)三維模型數(shù)據(jù)的有效修改和設(shè)計(jì)工作，是對(duì)逆向工程技術(shù)的另一種延續(xù)。這種方式完成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)生物網(wǎng)格結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)進(jìn)行彰顯，因?yàn)槿敲嫫婕暗臄?shù)據(jù)十分龐大，需要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在這一過程中對(duì)計(jì)算機(jī)提出更高要求。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化創(chuàng)新增材制造設(shè)計(jì)，增材設(shè)計(jì)豐富拓?fù)鋬?yōu)化手段

拓?fù)鋬?yōu)化屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種全新方式，將最優(yōu)材料空間分布作為目標(biāo)，設(shè)定載荷、約束和邊界前提下，利用拓?fù)鋬?yōu)化算法，能夠在固定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)配置。利用拓?fù)鋬?yōu)化方法優(yōu)化后的零部件，能夠在理論方面滿足載荷需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的充分運(yùn)用效果，取得最佳的承力結(jié)構(gòu)，促使結(jié)構(gòu)朝著輕量化方向發(fā)展[7]。但對(duì)于構(gòu)型復(fù)雜的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)制造工藝難以實(shí)現(xiàn)較好的效果，設(shè)計(jì)人員不得不基于傳統(tǒng)工藝條件對(duì)結(jié)果進(jìn)行修改，致力于降低加工難度，但這會(huì)對(duì)原本的結(jié)構(gòu)具備的最優(yōu)性產(chǎn)生影響。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間受到傳統(tǒng)工藝帶來的影響，若將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)單一地運(yùn)用在宏觀拓?fù)湓O(shè)計(jì)方面，而沒有將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)在尺度方面變化以及空間梯度變化所產(chǎn)生的廣闊設(shè)計(jì)空間進(jìn)行充分運(yùn)用，導(dǎo)致產(chǎn)品在性能方面得到提升存在限制。隨著增材制造技術(shù)的產(chǎn)生，高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制備成為可能，在拓?fù)鋬?yōu)化成為增材制造中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)之一的過程中，增材制造也成為拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)的一種有效手段。

3.3 運(yùn)用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)化

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)作為一個(gè)人機(jī)交互、實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)新的新過程，設(shè)計(jì)人員可以在迭代數(shù)百、數(shù)千種不同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)建出單個(gè)物理模型。通過對(duì)不同參數(shù)的輸入，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)，也可以設(shè)計(jì)不同需要的溫度、濕度以及應(yīng)力水平等。在零件生產(chǎn)過程中，也會(huì)受到工作環(huán)境、不同因素所帶來的一定影響，這需要從多方面考慮所生成的設(shè)計(jì)方案是否具備可行性，經(jīng)過綜合對(duì)比這一方式，做好設(shè)計(jì)方案的篩選工作，由設(shè)計(jì)者完成最后的決策。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)可以對(duì)設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)的零件比強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，也可以利用模仿自然結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出更強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)減少材料這一效果。通過增材制造技術(shù)可以將較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，成為現(xiàn)實(shí)，二者在長(zhǎng)遠(yuǎn)、穩(wěn)定的發(fā)展中更好地對(duì)設(shè)計(jì)制造模式起到一定的優(yōu)化效果[8]。

3.4 材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同制造，進(jìn)一步滿足發(fā)展需求

在民用飛機(jī)、軍機(jī)、火箭各個(gè)領(lǐng)域中，減重一直都是十分重要的探究話題，通過對(duì)輕量化材料、創(chuàng)新型設(shè)計(jì)以及3D 打印的運(yùn)用，為材料的新模式建造提供更好的發(fā)展空間。在材料與結(jié)構(gòu)共同發(fā)展和制造過程中，將滿足更高的性能作為發(fā)展目標(biāo)。例如，一些大學(xué)研究中的調(diào)研隊(duì)伍發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)材料布局和承載路徑的優(yōu)化，可以促使拓?fù)鋬?yōu)化成為航空、航天工程中具有高效性的一種設(shè)計(jì)方式，在航空航天結(jié)構(gòu)工程迅速發(fā)展過程中，通過建立在拓?fù)鋬?yōu)化這一理論基礎(chǔ)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同技術(shù)難題的突破。

對(duì)于汽車領(lǐng)域而言，輕量化結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)勢(shì)存在無限潛能，傳統(tǒng)車身在結(jié)構(gòu)方面、設(shè)計(jì)方面已經(jīng)無法滿足發(fā)展需求，取而代之的就是創(chuàng)成式的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，不僅減輕了零件重量，同時(shí)延長(zhǎng)了零件的使用壽命。通過創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)車身零件數(shù)量有效減少，帶來更好的操作效果，并且發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力可以使汽車獲得更高的速度，汽車重量變得更輕，從起步加速性能方面得到增強(qiáng)，在剎車時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更短的制動(dòng)距離。創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)也逐漸成為今后發(fā)展中輕量化制造技術(shù)的主要手段之一。

對(duì)于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而言，因?yàn)樽陨砭哂休^強(qiáng)的功能性，在應(yīng)用過程中不僅包含高端領(lǐng)域，也包含普通消費(fèi)品，在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)方面，單胞排列這一方式也具有不同的可能性，可以是不同的也可以是相同的；不僅可以是均勻排列，也可以是不均勻排列，甚至可以是不同排列方式以及不同單胞排列，在結(jié)構(gòu)方面存在千萬種不同的變化，所對(duì)應(yīng)的方式也是千差萬別的。

在醫(yī)療器械方面，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)植入體減重這一效果，另一方面還能通過人體組織的長(zhǎng)入，促使愈合速度更加的迅速。在軍工領(lǐng)域方面，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)能發(fā)揮出更多的功能性，如傳質(zhì)、吸能等；在消費(fèi)領(lǐng)域也將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)運(yùn)用到頭盔、運(yùn)動(dòng)鞋等領(lǐng)域中[9]?？傊?，3D 打印技術(shù)和制造的復(fù)雜性之間基本沒有關(guān)聯(lián)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在增材制造的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而增材制造為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供全息的制造手段，二者之間的結(jié)合實(shí)現(xiàn)互相促進(jìn)的發(fā)展效果，成為各個(gè)領(lǐng)域發(fā)掘創(chuàng)新產(chǎn)品的一個(gè)有效方法。

4 結(jié)語

綜上所述，文中針對(duì)輕量化技術(shù)的特點(diǎn)和不足進(jìn)行分析，致力于發(fā)掘輕量化技術(shù)在生產(chǎn)中的廣泛運(yùn)用。在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)運(yùn)用到很多金屬零部件，尤其是在航天航空領(lǐng)域，如航天設(shè)備、精密設(shè)備方面，對(duì)金屬零部件有更高的要求，這也成為對(duì)金屬零部件就行優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵原因。金屬3D 打印輕量化技術(shù)的引入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高要求金屬零部件的生產(chǎn)制造要求，通過計(jì)算機(jī)完成CAD模型建立，生產(chǎn)出具有高精準(zhǔn)度的零部件，體現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)在金屬零部件中的價(jià)值，為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的支持。3D 打印是實(shí)現(xiàn)輕量化技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，屬于機(jī)械輕量化的系統(tǒng)工程，逐漸成為使用輕量化材料優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。