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輕量化的3D打印汽車引擎蓋鉸鏈

魔猴君  科技前沿   2723天前

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在汽車行業(yè),汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要途徑,且成為汽車發(fā)展的潮流。3D打印技術(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打印汽車零部件設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中的一個著名應(yīng)用案例,便是由EDAG工程公司打造的Soulmate概念車,車輛的輕量化車身由一系列的金屬3D打印節(jié)點(diǎn)連接而成。


近期,EDAG工程發(fā)起了一個3D打印輕量化汽車引擎蓋鉸鏈的設(shè)計(jì)與制造項(xiàng)目-LightHinge+ 。在這個輕量化鉸鏈的設(shè)計(jì)與制造過程中,EDAG公司與其合作伙伴,通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、仿真分析和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)與制造了一個3D打印汽車引擎蓋鉸鏈,鉸鏈在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時,也兼顧了汽車制造業(yè)對行人保護(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)在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值與潛力。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對鉸鏈進(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)行鉸鏈再設(shè)計(jì)時采用了拓?fù)鋬?yōu)化技術(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)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的零件在進(jìn)行打印時會產(chǎn)生一些支撐結(jié)構(gòu),項(xiàng)目成員之一德國voestalpine增材制造中心對此進(jìn)行了優(yōu)化,盡可能的減少支撐結(jié)構(gòu)。


3D打印零件的設(shè)計(jì)與制造過程中的一個重要步驟是對3D打印過程進(jìn)行仿真。EDAG項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在鉸鏈項(xiàng)目中使用了Simufact Additive軟件來完成這一過程。項(xiàng)目組利用仿真軟件對打印過程以及去除支撐結(jié)構(gòu)等后處理工藝進(jìn)行模擬,來預(yù)測零件變形和殘余應(yīng)力。



沒有進(jìn)行過失真補(bǔ)償?shù)你q鏈與目標(biāo)幾何形狀相比存在1-2mm的偏差。通過對變形進(jìn)行仿真分析,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對組件幾何形狀進(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),隨后通過幾個模擬運(yùn)行來進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)果。當(dāng)項(xiàng)目組開始進(jìn)行零件的3D打印時,零件已經(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)現(xiàn)金屬微觀力學(xué)行為的物理特征呈現(xiàn),對零件的設(shè)計(jì)模型在增材制造過程中將發(fā)生的微觀變化實(shí)現(xiàn)更好的控制。此外,增材制造工藝本身會存在設(shè)計(jì)與制造不相符的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在零件的設(shè)計(jì)中,往往不會考慮到零件的應(yīng)力、變形及金屬加工屬性。但零件的增材制造過程,是個熱傳導(dǎo)的過程,在此過程中零件將會產(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)通過仿真技術(shù),在進(jìn)行3D打印之前就對這些結(jié)果進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化,降低了零件3D打印失敗的風(fēng)險(xiǎn),縮短制造時間以及制造成本。



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