在汽車(chē)行業(yè)(yè)，汽車(chē)輕量化是實(shí)(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的重要途徑，且成為汽車(chē)發(fā)(fā)展的潮流。3D打印技術(shù)(shù)在制造復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)零件方面，給予了設(shè)計(jì)師更廣闊的設(shè)計(jì)空間。在輕量化3D打印汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)(lǐng)域中的一個(gè)(gè)著(zhù)名應(yīng)用案例，便是由EDAG工程公司打造的Soulmate概念車(chē)，車(chē)輛的輕量化車(chē)身由一系列的金屬3D打印節(jié)點(diǎn)(diǎn)連接而成。

近期，EDAG工程發(fā)(fā)起了一個(gè)(gè)3D打印輕量化汽車(chē)引擎蓋鉸鏈的設(shè)計(jì)與制造項(xiàng)目-LightHinge+ 。在這個(gè)(gè)輕量化鉸鏈的設(shè)計(jì)與制造過(guò)(guò)程中，EDAG公司與其合作伙伴，通過(guò)(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、仿真分析和3D打印技術(shù)(shù)設(shè)計(jì)與制造了一個(gè)(gè)3D打印汽車(chē)引擎蓋鉸鏈，鉸鏈在實(shí)(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)(shí)，也兼顧了汽車(chē)制造業(yè)(yè)對(duì)行人保護(hù)方面的設(shè)計(jì)要求。

3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化、仿真“手牽手”

LightHinge+ 項(xiàng)目的目標(biāo)是詮釋增材制造技術(shù)(shù)在汽車(chē)生產(chǎn)(chǎn)領(lǐng)(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)(jià)值與潛力。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)鉸鏈進(jìn)(jìn)行了再設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)理念，使用金屬3D打印設(shè)備。EDAG在進(jìn)(jìn)行鉸鏈再設(shè)計(jì)時(shí)(shí)采用了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)(shù)，得到的鉸鏈在保持了給定的剛度和強(qiáng)度的情況下，與參考零件重量相比減輕了50%。

3D打印鉸鏈（左）傳統(tǒng)鉸鏈（右）

經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的零件在進(jìn)(jìn)行打印時(shí)(shí)會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生一些支撐結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目成員之一德國(guó)voestalpine增材制造中心對(duì)此進(jìn)(jìn)行了優(yōu)(yōu)化，盡可能的減少支撐結(jié)構(gòu)。

3D打印零件的設(shè)計(jì)與制造過(guò)(guò)程中的一個(gè)(gè)重要步驟是對(duì)3D打印過(guò)(guò)程進(jìn)(jìn)行仿真。EDAG項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在鉸鏈項(xiàng)目中使用了Simufact Additive軟件來(lái)(lái)完成這一過(guò)(guò)程。項(xiàng)目組利用仿真軟件對(duì)打印過(guò)(guò)程以及去除支撐結(jié)構(gòu)等后處理工藝進(jìn)(jìn)行模擬，來(lái)(lái)預(yù)測(cè)零件變形和殘余應(yīng)力。

沒(méi)(méi)有進(jìn)(jìn)行過(guò)(guò)失真補(bǔ)償?shù)你q鏈與目標(biāo)幾何形狀相比存在1-2mm的偏差。通過(guò)(guò)對(duì)變形進(jìn)(jìn)行仿真分析，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)組件幾何形狀進(jìn)(jìn)行了負(fù)變形處理，以便將鉸鏈幾何體的形狀偏差最小化。

項(xiàng)目組通過(guò)(guò)初次仿真模擬運(yùn)行，將零件的最大變形減半（從約1.5mm減小至約0.75mm），隨后通過(guò)(guò)幾個(gè)(gè)模擬運(yùn)行來(lái)(lái)進(jìn)(jìn)一步改進(jìn)(jìn)結(jié)果。當(dāng)項(xiàng)目組開(kāi)(kāi)始進(jìn)(jìn)行零件的3D打印時(shí)(shí)，零件已經(jīng)(jīng)在公差范圍內(nèi)。

據(jù)研究，仿真是管理3D打印預(yù)期的一種手段，仿真軟件可以實(shí)(shí)現(xiàn)金屬微觀(guān)力學(xué)(xué)行為的物理特征呈現(xiàn)，對(duì)零件的設(shè)計(jì)模型在增材制造過(guò)(guò)程中將發(fā)(fā)生的微觀(guān)變化實(shí)(shí)現(xiàn)更好的控制。此外，增材制造工藝本身會(huì )(huì)存在設(shè)計(jì)與制造不相符的潛在風(fēng)(fēng)險(xiǎn)。在零件的設(shè)計(jì)中，往往不會(huì )(huì)考慮到零件的應(yīng)力、變形及金屬加工屬性。但零件的增材制造過(guò)(guò)程，是個(gè)(gè)熱傳導(dǎo)的過(guò)(guò)程，在此過(guò)(guò)程中零件將會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。

LightHinge+ 3D打印輕量化鉸鏈項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)(guò)仿真技術(shù)(shù)，在進(jìn)(jìn)行3D打印之前就對(duì)這些結(jié)果進(jìn)(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)(yōu)化，降低了零件3D打印失敗的風(fēng)(fēng)險(xiǎn)，縮短制造時(shí)(shí)間以及制造成本。

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