3D列印實現製造輕量化:從材料到結構

2020-11-23 騰訊網

輕量化的實現途徑主要有三大方面：一是材料的優化設計和應用；二是產品結構的優化設計；三是先進位造技術的開發應用。三者相輔相成以實現最終產品的輕量化製造，而這其中產品結構優化設計和材料的優化設計具有廣大的研究和開發空間。

3D列印實現製造輕量化：從材料到結構

輕量化材料就是可以用來減輕產品自重且可以提高產品綜合性能的材料。材料輕量化，指的是在滿足機械性能要求的前提下，通過採用輕量化的金屬和非金屬材料實現重量減輕的方法。

在當前的輕量化材料中，鋼鐵仍然保持主導地位，但鋼鐵材料的比例逐年下降，鋁合金、鈦合金、鎂合金、工程塑料、複合材料等材料比例逐漸增加。這些材料在汽車製造領域的應用尤其廣泛，我們討論的重點也在該領域。

金屬輕量化材料：鋁合金

汽車上常見的合金材料大多為鋁合金、鎂合金。其中鋁合金是現階段應用最廣、最為常見的汽車輕量化材料，曾有研究表明鋁合金在整車中最多可以使用540kg，這樣的情況下汽車將減重40%，奧迪、豐田等的全鋁車身就是很好的例子。

目前鋁合金3D列印材料種類主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg幾乎佔據絕對主流。針對AlSi系列合金的力學性能不高，無法滿足高強度要求的現狀，目前開發出的高強鋁合金有空客的Scalmalloy、英國鑄造公司Aeromet International的A20X、長沙新材料產業研究院的AlMgSc系以及蘇州倍豐的Al250C等。

2017年，梅賽德斯-奔馳在製造業轉型中邁出了重要一步：使用3D列印技術生產金屬部件，其中就包括採用鑄鋁合金3D列印的奔馳卡車的恆溫器。不僅如此，梅賽德斯-奔馳表示，該環節通過了所有嚴格的質量測試。

金屬輕量化材料：鈦合金

鈦合金的主要優點是低密度、高強度密度比和優異的耐腐蝕性，另外即使在溫度升至500°C時仍能保持很高的強度。鈦合金用於汽車與鋼、鋁合金以及鎂合金相比的主要缺點是成本高，但其在汽車其他方面的應用具有輕量化的潛力，可用於製造懸架彈簧、排氣系統等部件。

一個典型案例是布加迪對傳統的剎車盤的設計優化，其採用高強鈦合金代替傳統鑄鋁，雖然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合結構設計，最終通過3D列印製造的卡鉗重量減輕了40%。除此之外，鈦合金作為一種高強輕量化材料，在航空航天領域具有極大的應用空間。

金屬輕量化材料：鎂合金

鎂合金也是一種強度較大的合金材料，現階段我們可以在汽車輪轂、離合器等部件上看到它的身影，儘管它比鋁合金更輕，但在汽車上的用量卻很少，從目前來看世界一流的汽車上鎂合金用量也僅為10kg，而自主品牌汽車鎂合金用量則更少，僅為3kg左右。

想要大規模的使用鎂合金，還需在技術和成本上有所突破。關於鎂合金的3D列印應用，目前多見於研究，公開報導的案例非常少見。

非金屬輕量化材料：碳纖維

除了合金以外，近些年汽車上也出現了一些新型輕量化材料，碳纖維就是其中之一。有研究表明，如果用強度可靠的碳纖維替代鋼材，車身、底盤的質量將下降40%-60%，輕量化效果可見一斑。

碳纖維目前無法直接用於3D列印，通常作為增強材料使用，包括基於雷射燒結的短纖增強和基於FDM的長纖增強兩種。將碳纖維嵌入到常規材料中，可以使部件強度提升幾十倍，其強度重量比甚至超過很多金屬材料。這種製造工藝更類似於新的材料設計，因此在輕量化方面有非常廣的應用空間。

在2015年的託納汽車耐力賽期間，福特採用碳纖維3D列印製造了賽車增壓室進氣歧管，部件的製造僅一周時間，從而為汽車開發工程師提供了更多的測試、調整和完善時間。除此之外，福特車隊的賽車還包含眾多其他的3D列印部件，為賽車的輕量化、快速製造提供了保障。此次比賽，該車隊也贏得了冠軍。

非金屬輕量化材料：工程塑料

另一種輕量化的材料是工程塑料，多用於製造汽車內飾件、電器件、進氣歧管、控制面板等部件，既可以用作原型驗證，也可直接製造最終功能部件。武漢薩普曾採用尼龍材料列印了2*0.5*0.7m的大尺寸汽車儀錶盤，可對抗高溫和高頻振動，研發周期縮短了47%，製造成本降低了54%，而且還實現了輕量化。

特種塑料的3D列印市場在近年來呈現增長趨勢，這不僅體現在用於3D列印的特種材料的豐富，還包括列印設備、工藝以及應用的多樣化。知名的特種塑料3D列印製造商還有Stratasys，其針對航空航天、汽車行業開發了專門的印表機和高性能材料，有的甚至已經獲得了航空認證。

特種材料的3D列印區別於傳統的塑料印表機，它往往需要更高的列印溫度和保溫環境，在設備開發過程中往往具有一定的門檻。目前較為知名的FDM品牌有markforged、Roboze、Apium等，國內方面有一邁智能（TCT深圳展展位號：C17）和遠鑄智能（TCT深圳展展位號：D20）等公司。這些特種材料一般包括PA、PEEK、PEKK以及PEI等。

輕量化材料的使用必須與產品設計和製造工藝相結合，只有這樣才能達到有效的目的。開發適應輕量化材料的新工藝不僅可以加速新材料在汽車上的使用，同時還可以降低材料成本，有利於擴大應用。

據汽車界人士預測，在今後十年中，汽車自身質量還將減輕20%，除了大量採用複合材料和輕質合金外，新材料的集成製造工藝會顯著降低車身部件數量，車身設計方法也將發生重大變化。

3D列印作為一種先進的新型製造工藝之一，受到了來自汽車製造商的廣泛重視，它的優勢體現在增量製造所帶來的材料浪費損失的降低，以及集成製造帶來的輕量化效果的大幅提升。即便3D列印可直接製造的材料仍然有限，但在輕量化材料直接製造方面似乎並未遇到太多阻力。

目前，成熟的3D列印工藝和材料受到了很多汽車製造商的重視，大眾、福特、寶馬等汽車廠商均設立了包括增材製造在內的先進位造中心，這無疑為汽車的輕量化製造帶來了更多機遇。

(7283460)

相關焦點

  • 3D列印通過結構設計層面實現輕量化
    增材製造（AM）早期在航空航天工業中被採用的關鍵原因是輕量化實現。具體來說，航空航天領域，3D列印通過結構設計層面實現輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、一體化結構實現、異形拓撲優化結構。 　　但是當涉及到汽車行業時，由於當前3D列印用於製造的高成本，很容易讓人懷疑它為消費者實施輕型汽車的潛力。
  • ...l 3D列印實現高強度、帶點陣結構、帶內流道冷卻的渦旋壓縮機部件
    更穩定，更高效，通過實現更複雜的形狀，3D列印在實現帶輕量化結構的壓縮機部件開闢了新的創新空間。來源：艾默生輕量化且高強度根據3D科學谷的市場研究，艾默生將3D列印應用於高強度的壓縮機部件製造。輕質、高強度的壓縮機部件的主體部分帶有點陣結構的內部區域，點陣結構由3D列印實現，主體部分還通過3D列印實現了內部流體輸送通道，該流體輸送通道用於允許潤滑油流過壓縮機部件的主體部分。3D列印-增材製造工藝不僅形成點陣結構，而且還形成中空通道或流動路徑，包括那些具有複雜曲折路徑的內部區域。
  • 製造採用了贏創3D列印阻燃尼龍12粉末和輕質泡沫材料
    作為車隊贊助商，贏創為本次奪冠的全新DIAN Racing 2020賽車提供了3D列印阻燃尼龍12粉末和ROHACELL輕質泡沫材料，用於車身及部件的製造。在設計過程中，贏創還為車隊進行了技術指導。在今年2020大學生電動方程式汽車大賽的新車設計中，同濟電車隊的隊員們綜合眾多的思路，決定採用ROHACELL超輕量化硬質泡沫進行車身製造，並對電池模組框架、控制器殼體結構等提出了運用阻燃尼龍12材料，藉助3D列印技術完成零件製造的構想。3D列印的零部件不僅能夠實現複雜結構的設計和製造，還能有效減輕車身重量，在加工周期、成本等方面也頗具優勢。
  • 2020年中國3D列印材料行業市場現狀及發展前景分析 未來金屬3D列印...
    相比傳統製造模式，非金屬3D列印的優勢主要在於無模化和可定製，但受限於材料性能，其主要用於樣品和模具的生產，量和價都很難起來;而金屬3D列印除了具備無模化可定製優勢外，在列印效率和列印質量上相比傳統金屬加工工藝均有較為明顯的提升，甚至能夠完成傳統工藝無法製造的高複雜度高精密度零部件的列印，具有更大的發展潛力。
  • 雷射反轉：實現多種材料的3D列印
    過去十年來，這一領域經歷了強勁的增長，每年以超過20%的速度增長，以金屬和工程聚合物來列印從飛機和汽車部件到醫療和牙科植入物的一系列部件。最廣泛使用的製造工藝之一：選擇性雷射燒結（SLS），利用雷射通過微米級的材料粉末列印部件。雷射加熱粒子使其融合到一起形成固體物質。美國哥倫比亞大學工程學院材料工程系教授霍德·利普森（Hod Lipson）表示：「增材製造對於經濟韌性來說很關鍵。
  • 研究人員利用3D列印製造微型樂高式「骨磚」
    俄勒岡健康與科學大學（ohsu）的研究人員擁有3d的微型樂高式「骨磚」，可以治癒骨折。 研究人員的微型空心磚只有跳蚤的大小，可以用作支架，硬和軟組織都可以再次生長。此外，模塊的可堆疊性使它們能夠像玩具磚一樣進行交互，提供可伸縮性和數千個潛在的幾何配置。最終，俄勒岡小組的目標是擴大技術和使用微型籠子生產實驗室製造的器官代替人類移植。
  • 3d列印的材料是有哪些?列印精度及後處理介紹
    3D列印的材料一般分為金屬和非金屬兩大類，包括：聚乳酸、ABS、二氧化二鋁、尼龍、陶瓷、高溫、高韌性、高強度感光樹脂、半透明感光樹脂、軟膠3D列印、DLP進口紅蠟、DLP進口藍蠟、全鈷彩色3D列印、數控ABS加工、桌面ABS塑料等數十種材料。金屬三維印刷材料：金、銀、鋁合金、不鏽鋼、鈦合金等材料。
  • 全金屬3D列印製造,我國新一代載人飛船試驗船返回艙大底框架結構
    此次試驗船飛行任務的圓滿成功，標誌著中國新一代載人飛船已具備雛形，也標誌著艙體結構、材料、控制系統等領域一大批新技術取得了重要突破。其中重要的技術突破之一，是由航天五院總體部設計的返回艙防熱大底框架結構，全部採用金屬3D列印工藝製造，成功實現了減輕重量、縮短周期、降低成本等目標。也標誌著，大型關鍵結構件整體3D列印技術通過大考。
  • 全金屬3D列印製造！我國新一代載人飛船試驗船返回艙大底框架結構
    其中重要的技術突破之一，是由航天五院總體部設計的返回艙防熱大底框架結構，全部採用金屬3D列印工藝製造，成功實現了減輕重量、縮短周期、降低成本等目標。也標誌著，大型關鍵結構件整體3D列印技術通過大考。馬彬為首的設計團隊果斷決定嘗試採用雷射沉積3D列印技術來實現「好、快、廉」的設計目標，一方面加速了設計方案的優化和迭代，另一方面同步開展了對雷射沉積3D列印工藝的力學性能試驗。試驗結果表明，雷射沉積3D列印技術可以勝任防熱大底框架的製造，並可以在提高經濟性和周期性前提下，高效配合設計迭代。
  • 3D列印材料高強度鋁合金,你不知道的潛力材料
    國際方面，高強度鋁合金的3D列印領域湧現出諸多的開發者，總部位於英國的鑄造專家Aeromet International其專利的用於增材製造的鋁合金粉末A20X所製造的零件已經超過500MPa的極限拉伸強度（UTS）。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細的微觀結構，與其他合金相比，具有「更高的強度，抗疲勞和優化的熱性能。
  • 【3D專委會】會員單位第七元素牙齒材料與3D列印技術結合實現產業化落地
    致力於數位化3D列印仿生牙齒材料，擁有3D智能醫療生物材料的核心專利技術，可以填補世界口腔醫療新材料的市場空白，避免口腔行業傳統減材工藝50%的誤差率，仿生原牙99.9%，縮短了11個小時的就診時間，實現
  • 輕型、防碰撞,這款鋁合金3D列印材料或將滿足汽車零部件批量生產
    在汽車製造領域，鋁合金是實現輕量化的主力軍，著名諮詢公司達科國際公布的研究數據表明，歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經翻了三倍，由50kg增長到目前的151kg，並將在2025年增長至196kg。[1]輕量化並不僅僅是要求減重，而是要做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。
  • 3d列印材料大全,看看你知道幾個
    在3d列印領域，3d列印材料一直扮演著重要的角色。因此，3d列印材料是3d列印技術發展的重要物質基礎。在某種程度上，材料的發展決定了3d列印能否得到更廣泛的應用。目前，3D列印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠材料、金屬材料、陶瓷材料等。另外，彩色石膏材料、人工骨粉、細胞生物材料、砂糖等食品也用於3D列印領域。
  • 陳根:3D列印在建築,輕量化的造房未來
    文/陳根　　3D 打 印也 被 稱 為 增 材 制 造 （Add material manufacture）其原理是以CAD或其他畫圖軟體設計的模型為樣板，將熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲等材料通過噴嘴等裝置逐層堆積
  • 美國利用旋轉3D列印製造高強度材料
    據美國媒體近日報導，哈佛大學一個研究團隊利用旋轉3D列印噴頭和精確控制的位置移動，使列印出的材料具有木材等自然材料才有的微觀纖維結構，從而顯著增強了複合材料的強度。這項研究成果獲得美國海軍實驗室和增材製造投資公司GettyLab的資助，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。天然存在的複合材料，如牙齒、貝殼等，利用纖維結構的排列來提高強度。為了模仿自然界這一特性，此前增材製造業曾利用電磁場等途徑在聚合物中布置纖維結構，但這些手段會顯著增加製造的複雜程度，並難以做到局部控制。
  • 3D列印常用材料淺析
    大家好，相信有很多工程師，藝術工作者都遇到過這樣問題：經過長時間的努力設計出來的產品圖發給列印廠家列印，滿心期待的列印件卻因為選材問題導致不能用，浪費了時間和金錢還得重新換材料列印。小編在這裡給大家分享一下3D列印不同材料的特點和性能，方便大家選材，不再走冤枉路。
  • 3D列印的超材料:具有新穎的光學特性!
    導讀近日，美國塔夫茨大學的工程師團隊開發出一系列3D列印的超材料，這些超材料具有獨特的微波或者光學特性。背景超材料（metamaterial），通常是指通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料。舉例來說，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，使它們改變通常的性質，這樣的效果是普通材料所無法實現的。
  • 3D列印技術為火星探測儀開發輕量化部件
    航空航天3D列印市場以非常快的增速發展，到2025年市場規模有望增長至50億美元。如今一些火星探測儀或其他航空領域的製造都急切的用3D印表機來開發較輕量化部件。 3D列印技術應用在製造業，具備成本低、快速製造減少時間周期、協調能力高、可完成繁雜構造等特點，也有許多其他探測器，也運用到3D列印技術應用來開發設計和生產製造零部件。
  • 懸浮生物3D列印：履行生物列印漂浮的承諾
    3D列印是否可以幫助實現這一目標？在過去的幾十年中，這些問題已經成為組織工程學（TE）領域研究的最前沿，這得益於有關傳統3D列印技術可以適應控制3D空間中高密度細胞群沉積的演示的推動。在不同的技術中，基於擠出的3D列印已被認為是實現TE視覺的最可能技術。特別是，對細胞活力影響有限的溫和加工條件，以及它們在加工具有廣泛性能的材料中的靈活性，使得該技術成為有吸引力的候選者。
  • Part2-2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展
    作為連接增材製造領域國內外業內優質資源的平臺，3D科學谷與AMPOWER合作面向全球市場的增材製造年度全球研發市場報告，本期，3D科學谷選取了填寫了網上問卷的國內部分企業（包括設備、軟體、材料領域）的研發情況與行業分享第二期的2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展情況。