鄧瀚誠具體介紹3D打印在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

來源：蓋世汽車 | 責(zé)任編輯：六月芳菲 | 發(fā)布時(shí)間： 2018-08-15 14:10 | 瀏覽量：

7月12日，“2018中國(guó)汽車輕量化產(chǎn)業(yè)高峰論壇”在上海隆重舉行，論壇以“新技術(shù)、新材料、新工藝“為主題，旨在降低汽車自身重量同時(shí)提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性和安全性，并對(duì)汽車輕量化政策趨勢(shì)發(fā)展、整車輕量化平臺(tái)化設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵零部件輕量化技術(shù)開發(fā)及汽車輕量化多材料應(yīng)用及成本控制分析等問題展開探討。

3DSystems大中華區(qū)售前與應(yīng)用經(jīng)理鄧瀚誠具體介紹了3D打印技術(shù)在輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用，詳見演講實(shí)錄(有部分刪減)：

謝謝大家，我本身不是汽車行業(yè)中人，今天給大家探討一下3D技術(shù)和輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)合的話題。我大概分成4個(gè)部分，第一個(gè)部分介紹一下3DSystems新的材料和3D打印設(shè)備產(chǎn)品。第二個(gè)部分介紹一下3D打印相關(guān)的增材設(shè)計(jì)輕量化的方法。第三個(gè)介紹一下3DSystems軟硬件解決方案在汽車行業(yè)應(yīng)用以及汽車相關(guān)的輕量化應(yīng)用上能夠提供哪些附加價(jià)值，最后一個(gè)部分我們講一些增材制造結(jié)合輕量化的應(yīng)用案例，我這邊案例主要是在空天和軍工領(lǐng)域，希望能給大家有一些互動(dòng)和啟發(fā)。

首先介紹一下我們公司，我們?cè)?983年全球第一個(gè)發(fā)明3D打印技術(shù)，圖片上的(英文)利用光固化的技術(shù)，對(duì)液態(tài)實(shí)現(xiàn)逐層的固化成型。我們成立于1986年，在1988年銷售了第一臺(tái)商用化的3D技術(shù)，通過30年的發(fā)展和并購，目前成為在3D行業(yè)解決方案最全的一家供應(yīng)商，我們包含硬件、材料、3D及其上下游的軟件，以及覆蓋全球按需定制服務(wù)的需求網(wǎng)絡(luò)，我們總部在南卡的Rock Hill，業(yè)務(wù)遍布全球，有2500名員工。介紹一下3DSystems公司在2018年有3款新的材料和設(shè)備。我們以客戶為中心打造以應(yīng)用價(jià)值為生態(tài)圈的生態(tài)系統(tǒng)，覆蓋解決方案不止是3D打印的技術(shù)，包括數(shù)字化、設(shè)計(jì)模擬、制造、過程管理等等，整個(gè)的3D打印的應(yīng)用條線。主要提升生產(chǎn)效率，提升零件和制件的耐用性，提升重復(fù)精度，降低總體保有成本。

這個(gè)是在今年比較重要的一個(gè)核心，這是一款模塊化的可以擴(kuò)展的快速的塑料光固化的技術(shù)叫Figure 4。解決了產(chǎn)能問題，第二個(gè)解決單一的3D打印技術(shù)不能使用多種材料的問題，第三個(gè)是解決3D打印因?yàn)閱蝹€(gè)環(huán)節(jié)的工藝不是完整的工藝條線，需要復(fù)合后道處理，比較高的人工使用成本問題。

大家可以看到3D打印有了這樣一種新技術(shù)，提升了生產(chǎn)效率，同時(shí)降低保有成本之后，才能跨向于大批量生產(chǎn)的市場(chǎng)，3D打印還是局限在定制化、小批量，我們這個(gè)目標(biāo)年產(chǎn)在100萬以上的零件，有3D打印快速反映和定制化，多批次，不同材料的特點(diǎn)。面向的是航空航天、汽車、醫(yī)療這一塊。這一個(gè)是可擴(kuò)展的模塊，解決了我剛才講的幾個(gè)主要局限3D打印大批量定制應(yīng)用的技術(shù)上的問題。

第二個(gè)部分是我們?cè)诟叻肿硬牧嫌幸恍┬碌牟牧媳容^適合于汽車和其他工業(yè)機(jī)械行業(yè)里的應(yīng)用。高分子尼龍是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)真正熱塑性材料3D打印的技術(shù)，我們通過10多年的研發(fā)已經(jīng)擁有很多新材料，今年的新品主要有鋁粉填充材料，還有黑色的尼龍11的材料、航空阻燃材料。

航空阻燃材料主要在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)鹊胤綉?yīng)用，可以降低以前舊材料的生產(chǎn)成本以及提升它的后處理的工藝性，主要用在商用飛機(jī)的內(nèi)飾這一塊。鋁粉填充可以提升質(zhì)感有金屬質(zhì)感可以做硬度的測(cè)試，以及生產(chǎn)家具。尼龍11材料比普通的尼龍材料韌性更好，研發(fā)成純黑色主要因?yàn)樵谶@個(gè)方面的應(yīng)用主要是在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)附近的硬件，要求零件顏色是純黑的。

第三款新品主要是大型的金屬機(jī)的產(chǎn)品，這個(gè)是今年推出的Factory 500，可以在三個(gè)軸上做到500毫米以上的鋪粉式打印機(jī)，這個(gè)在金屬成形領(lǐng)域不算大，但是在3D打印應(yīng)用比較大的。對(duì)于工業(yè)器械的客戶來講，保有價(jià)值非常高，中間的打印模塊可以快速的取出，提升用戶主機(jī)設(shè)備的翻轉(zhuǎn)使用效率，降低保有成本。同樣也是提升大件的成形以及比較大批量的零件的成型，目前我們?cè)跉W洲做的主要的測(cè)試面向的是航天以及醫(yī)療的嚴(yán)苛零部件的批量化生產(chǎn)。這個(gè)是金屬打印未來工廠的概念圖。

第二個(gè)部分給大家介紹一下可以和3D打印相關(guān)的輕量化設(shè)計(jì)的方法，主要其實(shí)就是兩個(gè)。從輕量化思路來講，它是一個(gè)三維的建模理論結(jié)合3D打印本身的材料成型的一些技術(shù)特征，貫徹結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輕量化，得到減重的效果，節(jié)省3D打印的材料，提升3D打印成型效率，我們這里講的是以金屬成型為主的。輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)本身可以規(guī)避掉一部分3D打印過程當(dāng)中成型工藝過程當(dāng)中的風(fēng)險(xiǎn)，可以降低對(duì)增材制造工藝的要求，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)已經(jīng)應(yīng)用的越來越廣泛。

我們講一下拓?fù)鋬?yōu)化，把宏觀的尋求最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為給定的設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)で笞顑?yōu)材料的分布問題。拓?fù)鋬?yōu)化主要有兩種思路-進(jìn)化法和退化法，下面的兩頁分別介紹了兩種思路中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)典型方法，一個(gè)是進(jìn)化法當(dāng)中的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，第二個(gè)是退化法的均勻化。退化法一種均勻化的方法是在設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)構(gòu)造周期性分布的微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)是同一種各向同性材料實(shí)體和孔洞復(fù)合而成。漸進(jìn)結(jié)構(gòu)法是通過把無效和低效結(jié)構(gòu)的裁剪，是現(xiàn)在數(shù)學(xué)規(guī)劃過程當(dāng)中避免多變量求解的過程。

晶格和拓?fù)溆悬c(diǎn)不同，晶格應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療的主要手段，未來在汽車行業(yè)會(huì)不會(huì)有這樣應(yīng)用的前景，晶格具有以上幾個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在輕量化同時(shí)有高強(qiáng)高鋼的特性，有抗沖擊的能力，在空間應(yīng)用上有電磁屏蔽的功能。晶格設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，用一個(gè)點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)代替一個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)。

第三個(gè)部分給大家講一下3DSystems實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的3D打印。3DSystems公司擁有全球最全的3D打印的技術(shù)包括彩色粉末打印，蠟型打印，光固化樹脂打印，尼龍、金屬等等不同材料，我們又是一個(gè)復(fù)合軟硬件方案提供商，我們有自己開發(fā)的3D打印的軟件，包括3DSprint和3DXpert。我們有幾個(gè)比較大的有名的品牌，一個(gè)叫Geomagic是三維掃描和檢測(cè)行業(yè)非常重要的一個(gè)軟件，旗下有很多產(chǎn)品。另外一個(gè)是以色列的一款叫Cimatron CAD和CAM的軟件，這個(gè)也是3DSystems旗下的產(chǎn)品，Gibbscam是車銑復(fù)合的軟件。

3D打印從運(yùn)型成型到生產(chǎn)隨著技術(shù)應(yīng)用越來越深化，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值的轉(zhuǎn)移，傳輸?shù)母郊又迪嘈艑?duì)增材技術(shù)了解的同仁應(yīng)該有一個(gè)概念，一定要利用3D打印的特點(diǎn)，包括輕量化、一體化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、快速反應(yīng)等等，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，零庫存，縮短上市時(shí)間等等。

3DSystems既有的解決方案里面有哪些應(yīng)用，一個(gè)是縮短上市周期，第二個(gè)是利用輕型零件實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性，第三個(gè)是按需生產(chǎn)現(xiàn)有或者過時(shí)的零部件，這個(gè)是軟硬件結(jié)合的解決方案。第一個(gè)部分是縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，這是一個(gè)利用全透明的光敏樹脂做的車頭燈的原形。這個(gè)是利用大尺寸的一米多以上的光敏樹脂做的汽車儀表板全尺寸1比1的展示模型。非直接制造這是在F1蓮花車隊(duì)的變速箱鑄造，用3D打印制作的鑄造原型，最終獲得金屬的零部件。這個(gè)是在美國(guó)硬地賽車，在不同的分戰(zhàn)比賽當(dāng)中要求快速，在兩周之內(nèi)對(duì)減速傳動(dòng)輪做了一個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用3D金屬打印生產(chǎn)部件直接裝車，上比賽。我們?cè)诠饷魳渲牧侠锩嫣畛涮沾晒杌铮嵘齽傂院湍蜏匦?，這個(gè)材料因?yàn)橛斜容^好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐溫性，比較適合利用在空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試的原形還有就是大家看到一個(gè)焊接生產(chǎn)線非常復(fù)雜的管路安裝固定藍(lán)色部分是用3D打印做出來的，主要是因?yàn)樗跇渲牧侠锩嬗懈呔?，又有極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐溫的性能。

我們還是通過一體化實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楸仨?D打印附加優(yōu)勢(shì)必須要結(jié)合一體設(shè)計(jì)。生產(chǎn)改造和零部件這一塊一個(gè)是利用軟件三維掃描去做一些過時(shí)零件的復(fù)原，老爺車，還有航天的零件，還有數(shù)字化技術(shù)沒有成熟的時(shí)候設(shè)計(jì)出來的零件，逆向工程結(jié)合3D打印復(fù)制出來。還有就是改變一些特殊的模具的生產(chǎn)，這個(gè)是我們做的比較成熟的在汽車相當(dāng)于是汽車零部件上一個(gè)輪胎，主要是輪胎，是做槽紋拼接模具和插片。這是比較適合3D打印有附加價(jià)值的應(yīng)用條線。這個(gè)也是一個(gè)利用軟件和硬件復(fù)合在短期內(nèi)做一個(gè)會(huì)展上的定制車輛。在軟件這一塊我給大家以金屬打印軟件做晶格優(yōu)化為范式，首先這個(gè)軟件是全球在3D打印領(lǐng)域唯一一個(gè)直接使用CAD為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境。它一次性涵蓋了數(shù)據(jù)導(dǎo)入，CAD的優(yōu)化，晶格或者拓?fù)涮畛渥龉に嚨脑O(shè)計(jì)，激光加工的策略優(yōu)化。在晶格軟件這一塊通過V-rep的技術(shù)快速的創(chuàng)建以及結(jié)合可視化的交互操作，同時(shí)因?yàn)樵?DXpert中CAD的原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境當(dāng)中實(shí)現(xiàn)，和歷史參數(shù)化的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫的結(jié)合，解決了在網(wǎng)格化的近似數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。我們有很多種不同的晶格類型，有表面的，有殼面厚度，用戶可以自定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以從CAE里面導(dǎo)入。下面這一段視頻看一看能不能播放。這個(gè)是利用金屬打印軟件晶格的優(yōu)化功能直接進(jìn)行優(yōu)化，和第三方軟件實(shí)現(xiàn)的晶格的區(qū)別是工藝上是比較復(fù)雜的技術(shù)，必須在內(nèi)嵌的軟件做一個(gè)優(yōu)化，避免反復(fù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換影響工藝工程師對(duì)成型整體過程的管控。同時(shí)我們自己優(yōu)化了晶格優(yōu)化背后的引擎的算法，使得這樣一個(gè)非常多曲面的結(jié)構(gòu)能夠在這個(gè)軟件里面使用過程當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)特別的卡頓，因?yàn)樗荂AD的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境，可以在不同的點(diǎn)線面體的特征上點(diǎn)選不同的晶格和變化趨勢(shì)。

這個(gè)是它的一些應(yīng)用，在醫(yī)療方面為什么要用這種多種晶格符合呢?在醫(yī)療上有一個(gè)模量調(diào)整的過程，因?yàn)橹踩胗幸粋€(gè)應(yīng)力屏蔽的要求，所以需要在一個(gè)人體植入上設(shè)計(jì)出不同的晶格調(diào)整模量。在航空航天上也是一個(gè)應(yīng)用。

最后給大家介紹幾個(gè)空天和軍工上的3D打印結(jié)合輕量化應(yīng)用的案例。這個(gè)案例是航空的格柵鉸鏈，航空航天的應(yīng)用上來講，鈦和高溫合金是比較難以減材加工的材料，很多材料難于做傳統(tǒng)加工，3D打印有它在材料成型上的優(yōu)勢(shì)。從案例上來看第一個(gè)是法國(guó)Thales Alenia給韓國(guó)Koreasat做的支架的設(shè)計(jì)。同樣T在去年上半年也在東南亞也有一個(gè)項(xiàng)目，也是利用3D打印做了衛(wèi)星天線支架。核心概念是減少重量，保持強(qiáng)度比。法國(guó)叫Sogaclair的公司也是拓?fù)鋬?yōu)化，大的金屬零部件不是直接3D打印出來，是通過粘合的技術(shù)打了一個(gè)砂型，也是通過仿生優(yōu)化的設(shè)計(jì)方式再通過3D打印的方式生產(chǎn)出來，這個(gè)是自然雜志在去年記載了丹麥理工大學(xué)的項(xiàng)目，在27米的機(jī)遇切成11億個(gè)單位進(jìn)行分解得到減重的結(jié)果。這個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證了利用晶格填充結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化，把拓?fù)浜途Ц駜煞N輕量化的方法結(jié)合在上面，驗(yàn)證沖擊載荷環(huán)境下它的性能。最后一頁是晶格的一些應(yīng)用，主要在流體力學(xué)、航空上、發(fā)動(dòng)機(jī)、鋼鐵上的案例，我給大家的介紹內(nèi)容就是這些，謝謝大家。

主持人：大家對(duì)3D打印有什么問題現(xiàn)在還可以1-2個(gè)問題。

提問：我問一個(gè)問題，很多主機(jī)廠說個(gè)性化的東西，有的量很小，現(xiàn)在有沒有3D打印應(yīng)用到制造科技化零件上面，直接拿到車上面可以用的。

鄧瀚誠：有，其實(shí)前一段時(shí)間有一輛概念車整車基本內(nèi)外飾都是用3D打印做的，其實(shí)可能只是說一個(gè)個(gè)性化或者展示的概念，因?yàn)楝F(xiàn)在的3D打印的材料成型能夠做的零件尤其是在外飾上應(yīng)用型尤其在疲勞性能上還是跟傳統(tǒng)不管是塑料還是金屬零件有一定的差距。

提問：內(nèi)飾呢?

鄧瀚誠：內(nèi)飾可以接近最終的需求，3D打印本身的成本也挺高的，只有模塊化的生產(chǎn)設(shè)備，把產(chǎn)能提升和單件成本降下來之后，未來可以做大批量的年產(chǎn)，這個(gè)是可以實(shí)現(xiàn)的。

主持人：還有其他的朋友有問題嗎?我這邊有一個(gè)問題，剛才你提到因?yàn)?D打印金屬的價(jià)格比較貴，更多用在原形件，汽車?yán)锩娲嬖谶@樣一個(gè)問題，我們?cè)囍茊栴}是為了以后做硬模，我們做原形件的時(shí)候希望力學(xué)性能和我最終定義的不是3D打印的加工工藝的性能是一致的，但是這兩者是有區(qū)別的，我們提出一個(gè)觀點(diǎn)，給3D打印提出一條新的路，你通過熱處理可以調(diào)整3D打印這樣的性能，如果你可以把3D打印的性能調(diào)整到和我的零件是一致的，你這個(gè)時(shí)候給我做的原形件我就可以接受，汽車做軟模的時(shí)候原形件是很貴的，這時(shí)候3D打印的優(yōu)勢(shì)就出來了。這個(gè)我覺得是一個(gè)3D打印可能的方向，如果性能不一樣，我沒法驗(yàn)證我原來的設(shè)計(jì)整個(gè)的工況夠不夠，這可能是一個(gè)問題。

鄧瀚誠：孫博士講的很有道理，如果只是用在功能設(shè)計(jì)原形必須要有一定的對(duì)照的參考價(jià)值，還有一個(gè)就是目前在航空上用的比較多的就是說拿3D打印最是燃油噴嘴，解決一體化之后有足夠的經(jīng)濟(jì)附加價(jià)值，目前3D打印推向汽車尤其是要做大批量的零件的話還不是特別成熟。

主持人：我們接觸過很多3D打印的公司，3D打印的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的時(shí)候不能以傳統(tǒng)的方式設(shè)計(jì)，這是很好的想法，你要想到最開始設(shè)計(jì)一個(gè)車的時(shí)候，如果基于3D打印設(shè)計(jì)的話，如果這個(gè)東西有問題，我沒有替代的方案，可能正個(gè)車問下推的時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)問題，大多數(shù)的車廠最開始的時(shí)候都按照傳統(tǒng)車推的，我們能不能用上3D打印的零件呢，這個(gè)肯定有困難，我說也許在軟模試制上，這個(gè)也是一個(gè)方向。