增材制造在航空航天与汽车领域的创新应用

作者:欧瑞康增材制造事业部 文章来源:MM《现代制造》 发布时间:2020-01-10
近年来,随着增材制造(又称3D打印)工艺的快速发展,这一新兴的制造技术开始进入大众及专业工业领域的视野。凭借其在品质、性能、效率和成本上的优势,增材制造技术目前已被引入模具、医疗、汽车、航空航天及能源工业等领域,无论是模具中高度优化的随行水路应用,还是燃气轮机叶片的结构优化及冷却通道应用,皆已获得市场及应用方专业人士的认可。

近年来,随着增材制造(又称3D打印)工艺的快速发展,这一新兴的制造技术开始进入大众及专业工业领域的视野。凭借其在品质、性能、效率和成本上的优势,增材制造技术目前已被引入模具、医疗、汽车、航空航天及能源工业等领域,无论是模具中高度优化的随行水路应用,还是燃气轮机叶片的结构优化及冷却通道应用,皆已获得市场及应用方专业人士的认可。

然而,目前仍有许多行业或应用端对该制造技术存在认知上的缺失或偏差,不敢冒然尝试,这使得增材制造技术的应用范畴存在着被低估的情况。无论是国内还是国外,增材制造工艺在面向大众宣传的时候,一直强调其高度设计自由的优势。但实际上,许多应用端的企业将增材制造技术简单地理解为一种零部件成形工艺,在设计中依然采用传统思路,直到生产制造环节才引入增材制造工艺。这使得增材制造技术的优势无法完全体现,从而失去很多改善产品性能及深度合作的机会。

在此背景下,欧瑞康增材制造提供的从原型设计、材料研发及生产、高端零部件制造、批量生产、后处理、测试与装配,到检测与品控的全产业链服务,能有效帮助客户及合作伙伴实现增材制造技术优势最大化,从而使产品性能最优。值得强调的是,欧瑞康增材制造斥资培养了一批具有增材制造思维的设计工程师,在与客户的合作中配合客户针对产品进行既适合增材制造工艺又能提升产品性能的优化再设计。目前,欧瑞康增材制造已与航空航天、汽车和大众工业等领域的企业和科研院所展开深度合作,开发出许多新的应用案例。

2019年7月,欧瑞康增材制造公布了与航空航天领域的著名企业MT Aerospace合作开发的基于仿生学优化的支架及传动轴的端头装配件(图1)。在保证强度的前提下,实现产品减重并且一体打印成型,只需配合装配面进行少量的机加工,便可完全省去板材的切割、弯折以及焊接的工序,这为航空航天领域带来的经济效益是非常可观的。当然,欧瑞康增材制造在航空航天的应用远不止这些简单的结构件。在2018年,欧瑞康增材制造便与LENASPACE公司合作开发了一款基于激光选区粉末床熔融工艺生产的镍基高温合金火箭喷嘴(图2)。通过增材制造工艺,该火箭喷嘴具有带冷却风道管壁的一体成型特殊结构,配合欧瑞康美科的热障涂层,使得该喷嘴相较传统工艺制造的喷嘴具备更优异的耐高温性能。

图1 基于仿生学优化的支架(左)及传动轴的端头装配件(右)
图1 基于仿生学优化的支架(左)及传动轴的端头装配件(右)
图2 基于激光选区粉末床熔融工艺生产的镍基高温合金火箭喷嘴
图2 基于激光选区粉末床熔融工艺生产的镍基高温合金火箭喷嘴

2019年,欧瑞康增材制造对伯明翰大学的大学生方程式赛车团队UBRasing进行了赞助,为其设计了新的油门和刹车踏板(图3)。在分析其油门与刹车踏板的受力条件后(油门踏板受力500 N,刹车踏板受力2 400N),欧瑞康增材制造的设计团队首先选取了高强度铝合金(Scalmalloy)作为踏板的材质。接着,采用了仿生学及拓扑优化的设计原理对踏板进行了全新设计。每种踏板都设计了多套备选方案,并采用有限元模拟进行受力分析,从中选择更合适的方案进行进一步调整。这样设计出来的零部件既能满足使用的受力条件,又集合了轻量化、多零部件一体化、符合人体工程学等诸多优点。最终经由增材制造生产的踏板相比原踏板减重19%,并通过了德国IABG测试机构的受力测试。

图3 欧瑞康增材制造为大学生方程式赛车团队设计了新的油门踏板(左)和刹车踏板(右)
图3 欧瑞康增材制造为大学生方程式赛车团队设计了新的油门踏板(左)和刹车踏板(右)
图4 欧瑞康巴马格与欧瑞康增材制造合作,对人造纤维设备泵体中的加热板(左)和加热套筒(右)进行优化图4 欧瑞康巴马格与欧瑞康增材制造合作,对人造纤维设备泵体中的加热板(左)和加热套筒(右)进行优化
图4 欧瑞康巴马格与欧瑞康增材制造合作,对人造纤维设备泵体中的加热板(左)和加热套筒(右)进行优化

此外,欧瑞康集团化学纤维事业板块旗下的巴马格与欧瑞康增材制造合作,对人造纤维设备泵体中的加热套筒和加热板进行优化(图4)。基于增材制造工艺设计的加热套筒和加热板实现了零部件整合一体化以及内部热介质流道的线路优化,从而减少了制造环节,提高了加热效率。

通过这些实例可以看出,增材制造工艺并不仅是一种新的零部件成型工艺,更是一种新的制造理念。各应用端的企业或机构应从零部件设计阶段便开始引入增材制造的设计思路,才可以获得更优的甚至全新的零部件设计,制造及工艺方案,其效果甚至能超出对产品改进或性能优化的初始期望,这为最终产品端的性能提升或新功能的实现带来了更多的可能性,这也是释放增材制造潜能的主要途径!

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