SLM 金屬3D 打印輕量化技術分析

毛劍鋒，王靜，姜麗娜

（沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

我國金屬3D 打印輕量化技術雖然發展歷程較短，但在我國有關科研人員深入的研究過程中，已經取得較為豐富的研究成果，即使與一些具備先進技術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打印輕量化技術已經運用到多個行業領域，如航空航天領域，通過深入探究飛機、飛船、火箭等運載工具減重的最大可能性，降低其運行中的能源消耗，有效提高飛行器的續航時間。

1 SLM 金屬3D 打印輕量化技術相關研究

1.1 金屬3D 打印技術

3D打印是建立在CAD模型基礎上完成的零件制造，零件的結構復雜程度對零件成型影響很小，能夠進行加工處理的材料也更加廣泛，與我國的傳統工藝進行比較存在一定的優勢。如今3D 打印技術已經運用到多個領域，如汽車、建筑設計等，取得十分明顯的發展效果[1]。

在3D 打印技術整個體系范圍中，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，將金屬粉末進行融化、凝固，從而達到冶金結合的效果，金屬材料的3D 打印在醫療、武器裝備方面具有很好的發展前景。

1.2 輕量化結構設計

對于輕量化設計而言，要想滿足設計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的材料，第二種方式是利用中空夾層及一體化結構的設計形式，滿足輕量化設計要求。例如，在制造飛機過程中，通過這一技術可以降低裝配結構的復雜性，進一步加工出相匹配的零件，有效降低飛機重量[2]。

對于輕量化結構設計而言，SLM 技術可以更好地滿足較為復雜的零件設計，將小批量生產作為核心，利用鋁合金等材料，在多個領域擴大應用范圍。首先，在設計規則方面，傳統工藝發展中，對設計者提出更高要求，需要設計具備豐富經驗，保證在持續迭代中完成功能分析，直到找到對應的結構材料才停止工作，但在SLM 技術中可以直接開展，發揮其自身的功能性，進一步建立與之對應的結構，主要是依據物理需求完成構建。同時，在設計過程中要注重這一前提，從需求方面進行了解，做好對零件的加工，更好地保證零件形狀、結構等方面都能達到技術指標要求。

對于設計要求方面，要滿足如下幾點：

一是結構優化。做好對材料的科學選擇，以及材料分配，才能保證在形狀結果中得到一定優化，確定好材料的使用數量，通過輕量化設計有效縮減成本，還能更好地滿足結構減重這一發展趨勢。

二是組件優化。有效完成組件拼接工作，將其中一些不關鍵的結構進行拆減，有效減少零件數量，實現內控結構簡化。

三是SLM 成型。從理論這一角度出發，SLM 這一技術成型過程中沒有任何因素限制，但在實際工作落實過程中，其中運用到的工藝參數、零件幾何特點都是其中的關鍵影響因素，可能會導致SLM 無法形成一些特定結構[3]。

四是滿足需求。在設計過程中，將功能性作為發展前提，保證設計結構具有一定的可靠性，在滿足基本形狀、尺寸內容時，也要對毛坯件進行第二次的加工，需要保證結構形狀在處理過程中具有一定的便捷性。

2 SLM 金屬3D 打印輕量化技術發展趨勢

2.1 3D 打印金屬材料開發

在金屬3D 打印過程中，對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 打印在實施過程中會產生更高的成本，隨著我國3D 打印技術發展趨于成熟，所運用的領域也更加廣泛，很多3D 打印的原材料價格呈現下降趨勢，甚至存在更多的降價空間。

2.2 打印機理持續擴展

金屬3D 打印中包含多種多樣的基本原理，例如，共同完成打印；同一產品持續打印[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3D 打印技術水平提升。

2.3 金屬3D 打印技術快速發展

金屬3D 打印可以通過客戶要求完成有關材料的制作，如，模型、教具或一些展示產品，這些金屬模型一般不需要較高的精準程度。在工業生產工程中也會運用一些金屬模型，但對模型有著較為嚴格的要求，在金屬3D 打印模型的過程中，一旦出現較大的產品缺陷，不僅會造成經濟損失，也會對企業帶來影響。隨著我國金屬3D 打印輕量化的不斷發展，越來越多的行業也開始對3D 打印技術進行充分運用。

2.4 產品質量飛速提升

通過對3D 打印輕量化技術的深入探究，最終的目的是實現3D 打印的金屬零件成形結果更加完善，具有較強的精準性，有效降低產品的材料成本[5]。金屬3D打印通過輕量化結構設計所生產出的零部件，質量較輕，外形美觀，經濟性高，可以全方位滿足客戶提出的要求。

3 SLM 金屬3D 打印輕量化技術應用對策

3.1 點陣結構代替實體材料，減輕重量賦予功能性

在響應產品性能要求的過程中，點陣結構可以大幅度減少對實體材料的實際用量，是實現結構輕量化的一個有效方式。傳統金屬網格結構制造，是通過有機加工以及造孔劑成型，前一種方法中受加工條件限制，只能完成一些簡單的結構制造，而在造孔劑制作過程中也存在一些不可控因素。

現如今，對增材技術的廣泛運用，提高了設計人員的設計自由度，在網格結構設計的復雜性方面也得到提升。網格結構的設計方法之一正向設計，是通過一系列單元結構疊加形成網格陣列，一方面實現輕量化發展，另一方面通過對結構、布局的設計進行優化，產生隔振、吸聲、吸能等功能。利用網格陣列所組成的單元結構，可能會產生多種力學性能、有關最佳結構性能特征的設計，更好地提升網格結構在加工性、質量方面的深入研究[6]。影像反求法是網格結構的另一種設計方式，更多地運用在醫療領域，關鍵原理是利用對自然骨的網格結構開展掃描工作，進一步得到骨小梁結構的三維數據模型，做好對三維模型數據的有效修改和設計工作，是對逆向工程技術的另一種延續。這種方式完成的網格結構設計，對生物網格結構自身的特點進行彰顯，因為三角面片涉及的數據十分龐大，需要通過計算機進行處理，在這一過程中對計算機提出更高要求。

3.2 拓撲優化創新增材制造設計，增材設計豐富拓撲優化手段

拓撲優化屬于結構優化的一種全新方式，將最優材料空間分布作為目標，設定載荷、約束和邊界前提下，利用拓撲優化算法，能夠在固定的設計領域中發現最佳的結構配置。利用拓撲優化方法優化后的零部件，能夠在理論方面滿足載荷需求，實現對材料的充分運用效果，取得最佳的承力結構，促使結構朝著輕量化方向發展[7]。但對于構型復雜的拓撲優化結構，傳統制造工藝難以實現較好的效果，設計人員不得不基于傳統工藝條件對結果進行修改，致力于降低加工難度，但這會對原本的結構具備的最優性產生影響。同時，長時間受到傳統工藝帶來的影響，若將拓撲優化結構單一地運用在宏觀拓撲設計方面，而沒有將拓撲優化結構在尺度方面變化以及空間梯度變化所產生的廣闊設計空間進行充分運用，導致產品在性能方面得到提升存在限制。隨著增材制造技術的產生，高度復雜結構件的制備成為可能，在拓撲優化成為增材制造中的創新設計之一的過程中，增材制造也成為拓撲優化實現的一種有效手段。

3.3 運用創成式設計，實現結構不斷進化

創成式設計作為一個人機交互、實現自我創新的新過程，設計人員可以在迭代數百、數千種不同設計的基礎上進一步創建出單個物理模型。通過對不同參數的輸入，實現多種數據結構的呈現，也可以設計不同需要的溫度、濕度以及應力水平等。在零件生產過程中，也會受到工作環境、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計方案是否具備可行性，經過綜合對比這一方式，做好設計方案的篩選工作，由設計者完成最后的決策。創成式設計可以對設計師負責的零件比強度進行優化，也可以利用模仿自然結構，呈現出更強大的結構形式，實現減少材料這一效果。通過增材制造技術可以將較為復雜的設計變得更加簡單，成為現實，二者在長遠、穩定的發展中更好地對設計制造模式起到一定的優化效果[8]。

3.4 材料與結構協同制造，進一步滿足發展需求

在民用飛機、軍機、火箭各個領域中，減重一直都是十分重要的探究話題，通過對輕量化材料、創新型設計以及3D 打印的運用，為材料的新模式建造提供更好的發展空間。在材料與結構共同發展和制造過程中，將滿足更高的性能作為發展目標。例如，一些大學研究中的調研隊伍發現，通過對材料布局和承載路徑的優化，可以促使拓撲優化成為航空、航天工程中具有高效性的一種設計方式，在航空航天結構工程迅速發展過程中，通過建立在拓撲優化這一理論基礎基礎上，實現對不同技術難題的突破。

對于汽車領域而言，輕量化結構所具備的優勢存在無限潛能，傳統車身在結構方面、設計方面已經無法滿足發展需求，取而代之的就是創成式的優化設計方式，不僅減輕了零件重量，同時延長了零件的使用壽命。通過創成式優化設計可以實現車身零件數量有效減少，帶來更好的操作效果，并且發動機輸出的動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，在剎車時也會產生更短的制動距離。創成式優化設計也逐漸成為今后發展中輕量化制造技術的主要手段之一。

對于點陣結構而言，因為自身具有較強的功能性，在應用過程中不僅包含高端領域，也包含普通消費品，在點陣結構方面，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，在結構方面存在千萬種不同的變化，所對應的方式也是千差萬別的。

在醫療器械方面，點陣結構不僅可以實現植入體減重這一效果，另一方面還能通過人體組織的長入，促使愈合速度更加的迅速。在軍工領域方面，點陣結構能發揮出更多的功能性，如傳質、吸能等；在消費領域也將點陣結構運用到頭盔、運動鞋等領域中[9]。總之，3D 打印技術和制造的復雜性之間基本沒有關聯，結構優化在增材制造的基礎上進一步實現創新設計，而增材制造為結構優化提供全息的制造手段，二者之間的結合實現互相促進的發展效果，成為各個領域發掘創新產品的一個有效方法。

4 結語

綜上所述，文中針對輕量化技術的特點和不足進行分析，致力于發掘輕量化技術在生產中的廣泛運用。在工業生產中會運用到很多金屬零部件，尤其是在航天航空領域，如航天設備、精密設備方面，對金屬零部件有更高的要求，這也成為對金屬零部件就行優化的一個關鍵原因。金屬3D 打印輕量化技術的引入，可以實現對高要求金屬零部件的生產制造要求，通過計算機完成CAD模型建立，生產出具有高精準度的零部件，體現輕量化設計在金屬零部件中的價值，為工業生產提供穩定的支持。3D 打印是實現輕量化技術的一個發展方向，屬于機械輕量化的系統工程，逐漸成為使用輕量化材料優化零部件設計的關鍵環節。