在汽車行業(yè)，汽車輕量化是實現(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)計師更廣闊的設(shè)計空間。在輕量化3D打印汽車零部件設(shè)計與制造領(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)計與制造項目-LightHinge+ 。在這個輕量化鉸鏈的設(shè)計與制造過程中，EDAG公司與其合作伙伴，通過拓撲優(yōu)化設(shè)計、仿真分析和3D打印技術(shù)設(shè)計與制造了一個3D打印汽車引擎蓋鉸鏈，鉸鏈在實現(xiàn)輕量化的同時，也兼顧了汽車制造業(yè)對行人保護方面的設(shè)計要求。

3D打印與拓撲優(yōu)化、仿真“手牽手”

LightHinge+ 項目的目標是詮釋增材制造技術(shù)在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用價值與潛力。項目團隊對鉸鏈進行了再設(shè)計，采用仿生設(shè)計理念，使用金屬3D打印設(shè)備。EDAG在進行鉸鏈再設(shè)計時采用了拓撲優(yōu)化技術(shù)，得到的鉸鏈在保持了給定的剛度和強度的情況下，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)過拓撲優(yōu)化設(shè)計的零件在進行打印時會產(chǎn)生一些支撐結(jié)構(gòu)，項目成員之一德國voestalpine增材制造中心對此進行了優(yōu)化，盡可能的減少支撐結(jié)構(gòu)。

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

沒有進行過失真補償?shù)你q鏈與目標幾何形狀相比存在1-2mm的偏差。通過對變形進行仿真分析，項目團隊對組件幾何形狀進行了負變形處理，以便將鉸鏈幾何體的形狀偏差最小化。

項目組通過初次仿真模擬運行，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行來進一步改進結(jié)果。當項目組開始進行零件的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)計模型在增材制造過程中將發(fā)生的微觀變化實現(xiàn)更好的控制。此外，增材制造工藝本身會存在設(shè)計與制造不相符的潛在風(fēng)險。在零件的設(shè)計中，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打印輕量化鉸鏈項目團隊通過仿真技術(shù)，在進行3D打印之前就對這些結(jié)果進行預(yù)測和優(yōu)化，降低了零件3D打印失敗的風(fēng)險，縮短制造時間以及制造成本。

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