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合肥工业大学车辆工程系副主任谷先广——3D打印技术及车身铸造铝合金零部件开发与验证

2019-07-19 11:06:20 来源：中国汽车材料网

导读： 基于3D打印技术与拓扑优化应用在车身上，并不只是简单的连接部分。从3D打印到增材制造优势，可以总结分为：定制优势，成本优势，速度优势、结构优势、灵活优势。

演讲人：谷先广车辆工程系副主任合肥工业大学

演讲主题：车身铸造铝合金零部件开发与验证

大家好，我是谷先广，我此次报告内容主要分为三个部分，第一部分为大家介绍增材制造（3D打印），第二部分是关于增材制造的优化设计的基本理论与方法，第三部分内容主要展示精密铸造的应用案例。

首先基于3D打印技术与拓扑优化应用在车身上，并不只是简单的连接部分。从3D打印到增材制造优势，可以总结分为：定制优势，成本优势，速度优势、结构优势、灵活优势。

我现场举两个例子给大家，第一个案例福特公司3D打印进气歧管大概只需3~5天,成本只需2000美元。而传统进气歧管的设计完成却需要10~18周的时间，视复杂程度不同，成本从50000美元到200000美元不等。

第二个案例在2018年,通用电气航空集团生产出了第3000个3D打印的燃油喷嘴，通过3D打印技术使得一个包含21个独立零件的喷嘴被简化为一个零件,既省去了从世界各地进货的生产运输成本,又节省了零件的组装成本。而它的强度和耐用度是原来的5倍,重量减轻了25％,燃油效率提升15％，同时可以为一架飞机一年省去100多万美元的费用。

由此我们联想到，我们为什么要关注3D打印技术？大家可能觉得3D打印技术只是一个噱头，目前，可以说3D打印技术在中国的发展并不是很广泛。美国奇点大学(Singularity University)学术与创新中心副主席Vivek Wadhwa曾经说过，“新技术的出现很可能导致中国在未来20年中出现美国在过去20年所经历的空心化”，引领技术之一是以3D打印为代表的数字化制造。他认为到2020年代中期，美国人能够在分子级别上制作精确的3D物体，“这样，中国还如何能与我们竞争？”由此能看出3D制造在中国的稳步发展同样离不开信息化，智能化，数字化的同步发展。

所谓增材制造并不简单的指增加材料，而是对材料所应该增加的部分有所增加，对减少的部分适当减少，这也是传统的制造技术所无法实现的重要部分。其次，3D打印技术可以减轻材料的重量，并增强产品的性能，除此外3D打印技术小批量的生产，可整合多个传统部件的功能。由此3D打印的意义在于：性能提升，功能整合，周期缩短。

那么由此我们大家会想到，设计工程师如何获得最优的结构形状？如何绘制CAD模型？获得最优结构之后，又如何获得更优设计产品？这里就要说到结构优化设计。

结构优化设计看似简单，实际上涉及了很多的理论概念，它在给定约束条件下，按某种目标(如重量最轻、成本最低、刚度最大等)求出最好的设计方案，也称为结构最佳设计或结构最优设计。它经历了从拓扑优化到形状优化再到尺寸优化的过程。拓扑优化在一个确定的连续区域内寻求结构内部非实体区域位置和数量的最佳配置，寻求结构中的构件布局及节点联结方式最优化，使结构能在满足应力、位移等约束条件下，将外载荷传递到结构支撑位置，同时使结构的某种性态指标达到最优。其关键性在于可靠性优化，人的技术的水平不同、加工制造的误差、材料质量的差异、使用环境的变化、测量数据的不准、执行标准的区别等这些因素都会产生不确定性或分散性，从而对结构分析和设计造成影响。

目前，国外研究学者正逐渐用概率/非概率可靠性指标客观地评价结构的安全性能，将不确定性理论引入到飞行器优化设计中。举个例子，在2002年，ACRE-92空天飞机的不确定性多学科优化设计，将有效载荷提高了8.0%，出勤率增加40.8%，设计成本减少18.5%。当然产品设计过程的任一阶段忽略不确定性都会产生严重影响！日本C2运输机由于在设计中忽略了载荷、材料分散性的影响，在2014年舱内增压的测试中，1.2倍设计压力时出现货舱门破损零件脱落，导致开发延迟3年！因此为了降低结构发生失效的风险，有必要在结构设计的各个阶段都充分考虑各类不确定性因素，在追求结构性能最优的同时，降低结构性能对不确定性因素的敏感度以及在不确定性因素影响下发生失效的可能性！

接下来我将向大家简单介绍精密铸造的应用案例，目前是由合肥工业大学，江淮汽车，安阳精密铸造等合作开发。传统车身骨架由不同的零部件通过焊接连接在一起，而采用精密铸造的方式，类似搭积木的方式，可做到一体化、模块化。这种做法的优点在于颠覆了传统的四大工艺，将设计与制造一体化，更加降低成本，增强轻量化结构，几乎适用于所有的汽车结构件。

精密铸造的原理在于通过3D打印以失蜡熔模成型工艺为核心基础，通过分析，目前精密铸造的部件可达到相关技术指标的要求。

目前我们所正在研究的防撞梁，将钢制的前防撞梁14个零部件通过拓扑优化和尺寸优化，形成一体化的铸铝件，并在有限元处理软件中划分实体单元。我们也因此做了对比，通过企业的标准，对比出一组钢制保险杠与铸铝保险杠的刚度。实验中，钢制保险杠刚度845.3N/mm，铸铝保险杠刚度达2646.2N/mm，也就是说铸铝保险杠在减轻三分之一的重量后，所达到的性能也是远远超过钢制效果。与此同时，精密铸造与传统制造工艺相对比，更显得成本低，周期短。

以上就是我今天所报告的内容，谢谢大家。

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