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3D打印通过结构设计层面实现轻量化

2018年06月12日 09:45 次阅读

  商业航空业在很大程度上接受了轻量级材料,是因为我们总是在购票的时候喜欢做短暂性质的比较选择(例如机票),这使得航空公司需要在燃油经济性方面不断提升,从而节约成本。增材制造(AM)早期在航空航天工业中被采用的关键原因是轻量化实现。具体来说,航空航天领域,3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种:中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。
  但是当涉及到汽车行业时,由于当前3D打印用于制造的高成本,很容易让人怀疑它为消费者实施轻型汽车的潜力。最近,通用汽车(GM)携手欧特克,创造了一种通过增材制造的座椅支架,声称重量减轻了40%,虽然成本不一定适合当前的应用场景,可能要好几年才能在世界各地推出使用这些支架的汽车。尽管如此,这是一个很有前途的发展,因为它代表了增材制造向目前努力渗透的几个方向迈出的一步 - 大规模生产。
  福特T型车于1907年首次下线,重量约为当今特斯拉3号车型的三分之一。今天,我们的汽车比一个世纪以前要重得多。事实上,在过去的二十年中,平均来说,给定级别(汽车,SUV,卡车)的汽车重量几乎没有变化。当然消费者选择汽车的时候并没有考虑太多关于汽车重量的因素,而是更多关注性能,安全性和功能,不过汽车重量是不容忽视的。
  一百多年来,工程师们一直在探索轻量化策略。随着增材制造技术进入生产车间,进一步评估增材制造带来的轻量化的四种策略,可以更加深入了解该领域的未来可能性。

  --1. 材料选择

  轻量化最容易被认为是一个材料选择问题。每位材料科学工程师和大多数机械工程师都对材料与轻量化的关系十分重视,可以选择材料以达到与材料密度相关的某些性能目标(强度,模量等)。在做材料选择的时候,首先考虑符合所有设计要求的最低密度材料,当然其他因素如可制造性(例如延展性)和成本也会发挥作用,并可能主导选择考虑因素。

3D打印通过结构设计层面实现轻量化


  图:材料与强度的Ashby plot

  -- 2. 结构优化

  重量是材料和结构组合的结果,一旦材料被选中,进一步的机会就是利用设计来降低所述结构的总重量。通过“结构”优化,包括通过去除材料(尤其是通过拓扑优化来实现),或者通过一体化结构实现即将结构合并为更少的部件,从而显着减轻重量。

3D打印通过结构设计层面实现轻量化

  -- 3. 胞元结构

  点阵结构或多孔材料使得在“微观”的层面上降低产品的重量。例如,在骨植入物中,通过局部变化来模仿骨的硬度,不仅实现轻量化的目的,还使得人体更加容易“接纳”这样的植入物。不过要通过点阵胞元结构来实现轻量化是不容易的事情,3D科学谷在《3D打印胞元结构建模的六大挑战》一文中介绍过连续建模需要注意的点,以及如何在蜂窝结构材料中实现精确、均匀和各向同性材料,如何注意“宏观”层面的外形设计对“微观”层面的胞元结构带来的力学性能影响,如何注意尺寸公差的影响,以及打印方向对力学性能的影响。

3D打印通过结构设计层面实现轻量化


  而在《胞元建模四大类型》一文中,3D科学谷曾详细分享了几种常见的结构,包括蜂窝结构,开孔泡沫,闭孔泡沫,点阵结构。

  -- 4. 多功能

  在轻量化的背景下,多功能代表了以最终抵消部件数量和组装设备(如紧固件)的方式使用材料和结构的机会,从而实现轻量化。对于多功能的概念描述来自于Schaedler和Carter的2016年评论文章中的机翼原理图,如图所示。机翼的核心功能是产生升力。然而,从轻量化角度来看,我们感兴趣的是构成机翼的结构。这些结构在所有预期的环境条件下必须具有弹性,但它们也可以通过优化重心位置和/或热管理或能量存储的方式进行完善。而通过设计过程中,则需要将这些局部结构与连续拓扑结构(例如机翼和内部管道的表皮)实现结合。

3D打印通过结构设计层面实现轻量化


  图:Schaedler和Carter的2016年评论文章中的机翼原理图

  在多材料,高设计保真度的时代,我们如何最佳地共同优化材料,以增材制造的方式实现更好的结构和功能?除了这些策略,从自然界吸取灵感是一种有效的方法。而在轻量化的背景下,增材制造一方面将助力轻量化的实现,另一方面由于当前的材料选择和成本限制仍然是进入大规模生产领域的挑战。但是这些挑战不会继续存在十年,无论是在我们的道路上这将这些技术转化为更轻的车辆,还是用于工程领域,增材制造的潜力正在发生作用。

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发表于 2018-05-03 07:27 729次阅读
GENESIS旋转3D打印机

终于驯服3D打印机器人Leapfrog Crea...

然而,这就是问题所在,当你给一个3D打印机记者的审查。我们媒体人一般花那么多时间写别人都做,我们真的...

发表于 2018-05-03 06:23 784次阅读
终于驯服3D打印机器人Leapfrog Crea...

全球科技创新方向及未来技术趋势

美国MIT2016年十大突破性技术里面有三分之一和人工智能机器人有关,核心都是基于人工智能的。德国的...

发表于 2018-05-02 15:25 2769次阅读
全球科技创新方向及未来技术趋势

STRATASYS发布新型原形制作打印机以及工装...

应用型增材技术解决方案全球领导者Stratasys(NASDAQ:SSYS),近日在美国Rapid ...

发表于 2018-05-02 11:41 1507次阅读
STRATASYS发布新型原形制作打印机以及工装...

当3D打印技术融入医疗领域的后果是什么

3D打印技术应用广泛,尤其是在医疗领域,例如打印柔软人体组织、义肢和人工膝关节,皆须运用积层制造技术...

发表于 2018-05-02 09:33 637次阅读
当3D打印技术融入医疗领域的后果是什么

索尔维集团推进亚太战略布局,满足特种聚合物需求

作为索尔维集团的最重要部门之一,索尔维特种聚合物是世界上产品系列最丰富、性能最多样的聚合物生产企业。...

发表于 2018-04-28 10:02 820次阅读
索尔维集团推进亚太战略布局,满足特种聚合物需求

Nervous System使用3D打印出陶瓷杯...

谈到创新设计工作室Nervous System,读者朋友们可能还记得他们3D打印出的效果惊人的动感连...

发表于 2018-04-28 08:33 210次阅读
Nervous System使用3D打印出陶瓷杯...

3D打印教育已成为我国教育界的一个研究热点

据了解,这款高科技运动鞋,鞋中底(多孔的复杂结构)是由TPU粉末材料通过SLS激光烧结技术3D打印而...

发表于 2018-04-27 14:22 688次阅读
3D打印教育已成为我国教育界的一个研究热点

芯片技术之外,还有哪些核心技术需要我们重点关注呢...

苹果公司发布iPhone之后,软件定义机器在工业界引起了大家的注意。这之前,传统的功能型手机是由厂家...

发表于 2018-04-27 09:51 973次阅读
芯片技术之外,还有哪些核心技术需要我们重点关注呢...

打印你专属的3D打印机器人

Langevin通过设计和打印机器人的手臂和手,开始了他的项目,称为因莫夫,但他后来又建立了另一只手...

发表于 2018-04-27 08:56 448次阅读
打印你专属的3D打印机器人

10种动物因为3D打印技术获得重生的机会

在3D打印的许多应用中,一个总是保证温暖和模糊的感觉是当它被用来改善温暖和模糊动物的生活。特别是当它...

发表于 2018-04-27 04:12 488次阅读
10种动物因为3D打印技术获得重生的机会

Concept Laser推出最新巨型金属3D打...

它可能已经过了一段时间的雷达,因为概念激光已经生产和销售世界上最大的选择性激光熔化3D打印机,X线1...

发表于 2018-04-27 03:52 538次阅读
Concept Laser推出最新巨型金属3D打...

3D打印技术可以为医疗领域带来前所未有的变革

用传统方法制造不仅十分困难,还会面临成本大幅上升的困境。面对这新的挑战应用3D打印技术可以为医疗领域...

发表于 2018-04-26 16:10 964次阅读
3D打印技术可以为医疗领域带来前所未有的变革

宝马集团始终以全新“第一战略”为指引,积极推进各...

当今的汽车制造产业,数字化不仅被利用到车辆前期的开发环节,也在车辆生产中扮演着举足轻重的角色,在这其...

发表于 2018-04-25 16:32 1523次阅读
宝马集团始终以全新“第一战略”为指引,积极推进各...

利用纳米级3D打印有机材料的生物芯片

们正在使用微流控技术,即在分子水平上操纵流体,将所需化合物组合运送到生物芯片的指定位置上。然后,他们...

发表于 2018-04-25 11:38 570次阅读
利用纳米级3D打印有机材料的生物芯片

【TQ335XB_V2试用体验】基于天嵌TQ355XB的3D打印机-硬件线路连接

发表于 2017-12-10 19:26 963次阅读
【TQ335XB_V2试用体验】基于天嵌TQ355XB的3D打印机-硬件线路连接

【TQ335XB_V2试用体验】3D打印系统设计与制作

发表于 2017-11-21 17:00 816次阅读
【TQ335XB_V2试用体验】3D打印系统设计与制作

【TQ335XB_V2试用体验】系统烧录

发表于 2017-11-14 16:57 877次阅读
【TQ335XB_V2试用体验】系统烧录

AI技术顾问招聘帖!

发表于 2017-11-11 22:02 661次阅读
AI技术顾问招聘帖!

专业3D打印服务——武汉智垒

发表于 2017-11-01 10:42 345次阅读
专业3D打印服务——武汉智垒

高精度金属零件激光3D打印装备配的特域冷水机,半年换一次水是否可行?

发表于 2017-10-14 11:47 557次阅读
高精度金属零件激光3D打印装备配的特域冷水机,半年换一次水是否可行?

使用Arduino UNO 制作的偷钱喵储钱罐

发表于 2017-09-19 14:15 946次阅读
使用Arduino UNO 制作的偷钱喵储钱罐