面向汽车应用的金属零件直接增材制造

来源： 高能束加工技术及应用

Nanzhu Zhao等人在Journal of Manufacturing Systems期刊上发表名为Direct additive manufacturing of metal parts for automotive applications的文章。

增材制造为汽车行业提供了巨大机会，通过整合零件、定制材料属性、实现多功能组件和简化制造工艺来减轻车辆重量和提高车辆性能。然而直接制造汽车零部件的增材制造研究有限，部分原因是汽车的体积庞大。该研究探索了使用增材制造结合创成式设计方法直接制造金属车辆部件的潜力，通过简化制造和装配工艺达到预期的零件强度和安全性能。结果表明金属粉末的成本是限制增材制造在汽车行业广泛应用的主要因素。

全文概述

增材制造广泛应用在汽车行业中，为汽车制造的新时代提供了缩短周转时间、减少材料浪费、提高能源效率和简化供应链的方法。与创成式设计相结合，增材制造可以使汽车工程通过使用计算机模型和算法将传统的设计-审查-精炼-迭代循环整合为单一过程，以实现设计目标和约束条件。增材制造大致可分为以下几类：材料挤出、粉床熔融、粘结剂喷射、片材层压、真空光聚合和定向能量沉积，这些技术各有优势和局限性。增材制造可以给汽车动力工业带来新的改进，允许在短时间内制造更轻和更复杂的产品，然而金属增材制造在汽车行业的应用主要集中在工装、原型制造而不是最终使用的零部件，采用增材制造技术大规模生产汽车零部件仍然具有挑战性。该研究探索了使用粘结剂喷射方法直接制造汽车金属构件的潜力，通过该方法和创成式设计，在大幅减重的同时简化了制造和装配工艺，提高了零件强度和安全性能，并基于两种主流的增材制造系统进行了成本分析，揭示了金属粉末成本是限制增材制造在汽车行业广泛应用的主要因素之一。

图1. 智能巡航控制雷达传感器安装支架的基线设计及加载条件

图2. 拓扑优化工作流程

图3. 粘结剂喷射过程示意图

图4. 采用粘结剂喷射增材制造ICC雷达安装支架的上下视图

图5. Desktop Metal P50 &系统生产成本分析

图6. ExOne公司X160Pro &系统的生产成本分析

主要结论
该研究探索了使用增材制造技术直接制造车辆金属部件的潜力，特别是结合生成设计的粘结剂喷射方法在汽车领域的应用。金属粉末的高成本仍然是金属增材制造在大批量汽车制造应用中更广泛采用的限制因素。未来的研究将包括降低粉末成本和其他3D打印工艺的评估，包括选择性激光熔化和直接能量沉积，以实现高性价比的金属增材制造，用于最终使用的汽车零部件批量生产。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2023.04.008