基于SLM的金屬3D打印輕量化技術及其應用研究

黃璞

（上海飛機制造有限公司，上海 201324）

國內的金屬3D打印輕量化技術發展歷程較短，不過我國相關的科研人員不斷深入持續研究，已經取得了非常豐富的研究成果。雖然和國際先進水平相比，仍然有一定差距，但相信很快就能迎頭追趕上來。目前，基于SLM的金屬3D打印輕量化技術主要應用于太空領域，這是因為進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，進而延長航空航天運載工具在太空中的作業時間。

1 金屬3D打印輕量化技術的發展現狀

傳統的打印需要根據客戶需求制作相應的模型，這個過程非常的耗費人力物力和時間。而且一旦出現誤差，模型就會報廢，只能重新制作。很多模型只能服務于特定的工作要求，等到任務結束就要制作新的打印模型，因此，傳統打印技術的成本投入非常高昂。基于SLM的金屬3D打印輕量化技術，相對于傳統打印有了很多革命性的突破。其中很重要的一點就是能夠節省大量的成本投入，提高資源的利用效率。運用激光光束融化金屬，通過計算機系統上的CAD模型，就能快速生產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 輕量化技術的設計標準及結構設計

2.1 輕量化技術的設計要求

在進行輕量化設計的時候，需要進行全面的考慮。在材料選擇上，我們可以使用本身重量相對較輕的合金材料。在結構設計的選擇上，我們可以使用一體化的設計思路。這些都是符合輕量化設計要求的有效方法，輕量化技術設計就是要最大限度的減少相關零部件的設計重量。

2.2 輕量化結構設計的標準

輕量化結構設計應該和SLM緊密結合，這樣才能更好的生產符合客戶要求的零部件。金屬零部件的結構設計使用質量較輕的合金材料，能夠進一步減輕輕量化結構設計的重量。

2.3 輕量化結構設計的規則

傳統的結構設計工作者必須具備過硬的設計技術，能夠對金屬零部件各個組織結構有整體的規劃，知曉每個部位的作用。SLM運用在金屬3D打印輕量化設計，能夠根據客戶要求直接劃分功能區，并以此為基礎來設計組織結構。輕量化設計不能脫離工業生產制造實踐，設計的組織結構需要保障金屬零部件易于加工，否則會導致空有完美設計卻無法生產的窘況產生。

2.4 輕量化結構設計的要求

輕量化結構設計要求主要包括幾個方面：首先要做到零部件資源的優化配置，將結構設計需要的資源合理配置，減少不必要的材料浪費，提高資源的有效利用，降低輕量化結構設計的投資成本。其次需要對零部件的組裝進行優化，有些組織結構不僅發揮的作用較低，而且所占空間比較大，需要將這部分結構進行剔除。再者需要注意的地方是運用SLM讓零部件產品形成的影響因子，雖然說運用SLM技術進行金屬的熔煉沒有技術難度，但是進行零部件生產的時候，由于客戶方的生產標準和制造要求，有些非常復雜的金屬零部件結構很難成型。最后輕量化結構設計必須滿足客戶的要求，根據客戶的需求進行有效的設計，如果產品出現了問題，也要做好相應的售后維修和護理。

3 金屬3D打印輕量化技術發展趨勢

3.1 3D打印金屬材料開發

金屬的3D打印對于相關材料的要求比較高，有些金屬零部件模型打造需要特定的材料才能實現，因此金屬3D打印造價成本相對高昂。伴隨著金屬3D打印技術越來越成熟，應用的領域越來越廣闊，許多金屬3D打印材料的價格已經有了很大的下降空間。

3.2 打印機理持續拓展

金屬3D打印有很多打印的基本原理，比如說一起進行打印，或者是對同一個產品進行持續的打印。這些打印的原理具有重要的研究意義，通過對其不斷的探討，能夠進一步提高金屬3D打印技術的研究水平。

3.3 金屬3D打印機技術快速發展

金屬3D打印能夠根據生產制造的要求進行相應的制作，比如說平常一些用來展示的產品，這部分金屬模型不需要很高的精準度就可以生產。工業生產需要用到的金屬模型，對于模型的精準度要求相當嚴格。如果相關的金屬3D打印模型，出現了較大的誤差，就會造成大量的工業產品報廢，給工業生產制造的企業帶來很大的損失。伴隨著國內對于金屬3D打印輕量化的不斷深入研究，越來越多的工業領域開始運用金屬3D打印技術。

3.4 產品質量提升飛速

得益于金屬3D打印輕量化技術的不斷探討和應用，目前國內金屬3D打印出來的金屬零部件性能越來越完善，對于所需的材料方面的投入逐漸減少。生產制造出來的零部件，不僅重量很輕，而且產品的口碑非常優秀，這是因為很多金屬零部件的輕量化結構設計非常合理，能夠很好的滿足客戶的需求。

4 基于SLM的金屬3D打印輕量化技術設計及應用要點

金屬3D打印需要根據用戶的要求進行模型的設計，這個就是進行建模的過程。輕量化設計必須考慮好設計的精準程度以及選擇的材料類型等很多注意事項，知曉影響模型建立的主要因素。通過科學的規劃，合理設計模型的組織結構，來盡可能的避免不利因素帶來的后果，提高金屬3D打印的技術可靠性。

金屬3D打印輕量化設計是服務于用戶的，應該根據用戶的要求進行整體的科學規劃。在進行輕量化設計的時候，必須充分考慮到影響金屬零部件輕量化的主要阻礙，運用有效的解決方案，避免可能出現的設計問題，保障生產出來的金屬零部件，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打印生產帶來更多的優質客源。

5 金屬3D打印輕量化技術具有的獨特優勢

金屬3D打印輕量化技術，之所以能夠被工業生產廣泛運用，很重要的一個原因就是這種技術具有顯著的優勢。越是高精尖設備對于金屬零部件的精準度和重量的要求就越嚴格，金屬3D打印基于SLM進行輕量化設計，能夠嚴格的控制生產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，大部分都是依托計算機系統來設計的CAD模型。因此，生產出來的金屬零部件，擁有傳統打印不具備的高精準度。金屬3D打印能夠對零部件的各部分功能進行合理的規劃設計，在此基礎上來進行整體組織結構的框架安排，可以使各個部分緊密聯合在一起，從而發揮出更顯著的效果。

近年來國內的金屬3D打印輕量化設計取得了重大的突破，進行金屬3D打印需要的材料，有些可以用相似材料來替代，因此金屬3D打印制作效率有所提升，相關的金屬零部件成型速度越來越快。將3D打印應用于工業生產，可以通過建立金屬模型，對工業生產可能出現的問題進行有效的評估和預測。

6 基于SLM的金屬3D打印輕量化技術的具體應用

6.1 金屬3D打印輕量化技術在航空航天領域的應用

金屬3D打印輕量化技術，目前應用領域最多的是航空航天行業，例如宇宙飛船和運載火箭等航天航空工具，它們進行太空的探索需要消耗很大的能量。如果能夠在設計制造航天運載工具的時候，盡可能使用質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載工具所需要的推動力的消耗，避免了大量的航空航天燃料的浪費。許多航空航天設備需要眾多精密零件，金屬3D打印能夠制作出更高精準度的零件，從而帶動了航空航天工具的整體性能的提升，因此3D打印輕量化技術的重要作用日益凸顯，已經成為各個航空航天大國的主要攻堅方向。

6.2 金屬3D打印輕量化技術在其他領域的應用

金屬3D打印技術基于SLM進行輕量化設計，這是當今世界各個工業強國都在攻堅的方向，它對國家工業生產的促進效果相當顯著，能夠為許多領域的變革提供幫助。例如在汽車領域的應用，2017年，奔馳在制造業轉型中邁出了重要一步：使用3D打印技術生產金屬部件，其中就包括采用鑄鋁合金3D打印的奔馳卡車的恒溫器。在醫療方面的應用，3D打印醫療器材，比如假肢，還能將打印用于組織功能產品，比如下頜骨、器官支架、顱骨，這些都已經進入臨床應用。

7 結語

工業生產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備，對金屬零部件的要求非常嚴格。金屬3D打印輕量化設計很好的滿足了金屬零部件的生產制造要求，在計算機上建立CAD模型，可以使打印出來的金屬零部件產品的精確度得到有效保證，其輕量化設計理念使得金屬零部件的重量得到有效的控制，因此，輕量化技術的應用，極大地促進了工業生產的發展。