基于SLM的金属3D打印轻量化技术及其应用探讨
作者：曹明顺
来源：《广东蚕业》 2024年第7期
摘要轻量化设计具有较多优势，主要体现在可节约成本、解决资源浪费等方面，除此之外还能够减轻产品重量，提高产品性能。在具体设计的过程中需要结合3D打印和SLM技术，明确设计原则及要点，确保能够满足结构优化、组件优化、适合SLM成型等多项要求。文章以飞机托架为例，对加工的过程及结果进行了详细探讨。
关键词SLM；金属3D打印；轻量化技术；应用
中图分类号：TH166
文献标识码：C
文章编号：2095-1205(2024)07-26-02
与其他国家相比，我国的金属3D打印仍处于发展的初期，但在专家人员持续不断的努力下也取得了一定的进展，并应用在了航空航天领域。目前多所重点院校正在此方面进行深入研究，各自的研究重点存在一定的差异，例如清华大学和北京航天航空大学分研究的重点分别是EBSM技术、钛合金激光快速成型。在研究过程中，最重要的是不断发现问题，处理零部件结构成型后的缺陷，优化加工工艺，促使研究结果更加可靠。
1 研究现状
1.1金属3D打印技术
3D打印只需通过CAD模型就能够制造零件，并且制造的是结构极其复杂的零件。与传统工艺相比具有较多优势，这就使得其在短时间内发展速度较快，能够处理的加工材料类型持续增多，加工精度也在不断提高，目前这项技术已经应用在了航空航天、汽车、建筑及艺术设计等多个领域，应用成果十分显著。而在整个3D打印体系中，金属3D属于潜能最大且应用效果最为显著的一项技术，是3D打印业发展的一个主要方向，在具体应用的过程中输入热源时采用激光电子束，通过融化金属粉末制成零件Ⅲ。在医疗、武器装备等领域应用前景十分广阔。
1.2轻量化技术
为了满足轻量化设计要求，可采取两种方式，第一是选择钛合金、铝合金等轻质类型的材料。第二是通过空中夹层及一体化等结构形式进行设计，满足轻量化要求。
以飞机的制造为例，在应用这项技术时可减少装配结构，并加工出与飞机性能相符合的零件，减轻飞机重量。
2 结构设计
2.1 SLM技术成型原理
SLM技术的成型采用的是高能激光束，可加工出组织精密的金属零件。其工艺操作主要包括以下几项要点。第一，利用CAD软件构建三维模型，并做切片离散处理，然后将模型导入成型设备中，第二，将切片信息导入计算机中，采取逐层导入的处理方式，然后加工融化金属粉末，加工成一层零件之后上升切片厚度，将粉末铺在成型缸上，并依次进行各层级的加工。第三，加工结束后将零件从基板上取下并做后续处理。
2.2轻量化结构设计
SLM技术能够满足具有个性化特点且要求复杂的零件设计，以小批量生产为主，可采用铝合金、混合金等材料，目前在航空航天、汽车等多个领域的应用规模在持续扩大。
2.2.1设计规则
第一，传统工艺在加工过程中要求设计者具有丰富的经验，确保其能够持续进行功能细分，找到相应结构时才能停止。而SLM技术可直接细分功能，并建立相应结构，在细分过程中的主要依据是物理需求。第二，在设计时需要以公理设计体系作为前提条件，结合功能需求加工零件，确保零件形状及结构达到相应的设计标准。
2.2.2设计要求
在设计过程中应满足以下几项要求。第一是结构优化，需要做好材料的分配工作，促使结构形状得到优化，控制材料使用量，实现轻量化设计，既可缩减成本，又能满足结构减重的要求。第二是组建优化，减少组件拼接，去除一些不必要的结构，进而减少零件数量，简化内腔结构。第三是和SLM成型，从理论层面来看。SLM技术成型时没有任何限制，但在实际加工的过程中加工工艺、几何特点都是重要的影响因素，导致SLM的无法成型某些形状结构。第四是满足需求，即在设计时应以实用功能作为前提条件，促使设计结果更加可靠。第五是方便后处理。即在满足基本的形状、尺寸等设计要求的情况下，还需要对毛坯件进行二次加工，这就要求结构形状能够方便后续处理。
3 设计及应用要点
在设计过程中应充分考尺寸、精度、支撑、材料粘连等各项要点，明确最大、最小几何尺寸的特点，了解成型精度与设备及材料之间的关系，把握好限制条件及模型数据的影响特点，并且应合理处理粘连缺陷，其会影响结构孔的形状及精度，因此需要建立数学模型，进行扫描处理。
在具体设计的过程中首先需要全方面分析用户需求，得出结论后可进行目标与方案的设计，充分考虑约束限制条件，确保能够满足功能要求。选择合适的设计方法及软件，并在此基础上对寻找疑难问题的解决方式，优化处理并对方案作整体性评估后可进行试加工，采用专业仪器进行检验，确保不存在问题后可正式生产。
4 技术应用
航空航天领域对轻量化要求较高，目的在于减轻飞机重量。通常情况下，飞机重量减轻一千克重量时可节约的运营费用高达7000多美元，并且有能够提高飞机的承载能力，促使飞机形状结构更加合理，下面就以发动机托架结构设计为例，对轻量化设计方式进行详细探讨。
飞机结构的重量与性能成反比，即重量越轻，飞机性能越好。如果飞机类型为战机，还能够增大航程，促使战机的机动性能更加突出。飞机的发动机构成较为复杂，零件多达数万个，
发动机托架是一个十分重要的组成部分，分为承重、减震等多个组成部分。在设计时可从沉头孔人手，处理后的轻量化结构如图1所示。
个体单元为正六边形结构，可通过调整内、外边边长改变结构规格。在设计好零件之后应合理摆放零件模型，尽可能的减短成型时间，去除冗余支撑，而后将设计模型导入Magics软件中，添加支撑并调整尺寸，最后规划成型扫描策略，结束后保存为EPC格式，导入3D打印机中，目前此方面的已经有十分显著的研究成果，并且托架成型效果较好，几乎不存在变形等缺陷。与传统工艺相比，托架性能更加显著，基本达到了预期效果。另外，托架由蜂窝点阵结构连接，其与托架的成型效果密切相关，在扫描时可选择复合扫描法，但这样容易粘附粉末，主要是由于扫描时能量不足所导致的，在处理时可采用超声波工艺。
固定孔用于连接螺栓和机体，同样选择复合扫描法。如果发现不规则孔洞缺陷，通常是由于扫描时金属液飞溅所造成的，因此需要检测固定孔，并对内壁和表面进行二次加工，确保能够与设计要求相符。
5 小结
轻量化研究意义重大，在设计过程中需要运用力学、工程科学等多个方面的专业知识，可将研究成果应用于航空航天、医疗等多个领域。此外，在SLM成型过程中必须明确各项影响因素并作优化处理，促使零部件性能更加优越。
基于SLM的金属3D打印轻量化技术及其应用探讨
