增材制造或三维（3D）打印为汽车行业提供了巨大的机会，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并提高车辆性能。然而目前用于直接制造汽车零部件的增材制造研究有限，部分原因是汽车产量庞大。近日，日产北美技术中心、Altair公司、ExOne公司、德克萨斯大学的研究人员探讨了使用增材制造结合创成式设计方法直接制造金属汽车部件的潜力。以雷达安装支架为例，表明通过减轻42%的重量并简化制造和装配过程，可以实现所需的零件强度和安全性能。还基于两种主流增材制造系统进行了生产成本分析。结果表明，金属粉末的成本是汽车行业更广泛采用增材制造的限制因素。

图1 智能巡航控制雷达传感器安装支架的基线设计和加载条件

汽车行业正在广泛采用增材制造（AM）技术，如今已经发展到汽车制造商不仅可以将其用于快速原型制作，还可以用于生产最终用途组件，这些组件对于满足严格的要求至关重要，包括不断增加的燃油经济性法规、定制需求以及大流行后世界的供应链挑战。增材制造为汽车制造的新时代缩短了周转时间，最大限度地减少了材料浪费，提高了能源效率并简化了供应链。增材制造大致可分为以下几类：材料挤出，粉末床熔融，粘合剂喷射，片材层压，材料喷射，还原光聚合和定向能量沉积，这些技术中的每一种都有自己的优势和局限性，例如材料成本，制造速度，零件机械性能和可靠性。

在金属增材制造中，最广泛使用的材料原料是粉末，但也使用线材，箔带和液体形式。激光、电子束、超声波、等离子弧等高能量密度热源用于将材料直接粘合在一起。粘结剂喷射是另一种技术，它依赖于构建后的加热和烧结来巩固金属粉末并实现所需的机械性能。增材制造可以为汽车行业带来新的改进，允许在短时间内实现更轻、更复杂的构建。轻量化是内燃机汽车燃油经济性和纯混合动力电动汽车能源效率的重中之重。已经有许多例子探索了增材制造以减轻车辆零件/组件的重量或生产复杂的零件和备件。使用增材制造本田展示了重量减轻50%的曲轴；通用汽车将八个组件合并为一个座椅支架部件；宝马将Roadster车型车顶支架的重量减轻了44%；福特使用AM进行了原型设计，这是传统制造无法实现的歧管；保时捷制造了3D打印活塞，以提高功率和效率；奥迪利用3D打印为一系列车辆生产多个零件。

图2 拓扑优化工作流程

图3 设计决策及性能表

这项研究探讨了使用增材制造直接制造的车辆金属部件的潜力，特别是粘结剂喷射方法。粘结剂喷射已成为激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）的有前途的替代工艺，因为它具有更高的打印分辨率，更好的表面质量，更少的支撑结构需求，更少的材料浪费，更高的产量和更低的整体生产成本。以雷达安装支架为例，通过增材制造和创成式设计，通过显着减轻重量（约42%）和简化制造和装配过程来提高零件强度和安全性能。还进行了基于两种主流增材制造系统的生产成本分析，揭示了金属粉末的成本是汽车行业更广泛采用增材制造的主要限制因素之一。

图4 冯米塞斯应力、位移和固有频率的比较

图5 通过粘结剂喷射的增材制造的ICC雷达安装支架的顶视图和底视图

图6 频率响应函数测量3D打印部件在2个位置的2个不同部件，最大频率为 440 Hz、最小 356 Hz、平均389 Hz

图7 两个系统的相关零件嵌套布局

图8 两种3D打印系统相关的相对成本分配

总结这项研究探索了使用增材制造直接制造金属汽车部件的潜力，特别是粘结剂喷射方法与汽车应用的创成式设计相结合。以雷达安装支架为例，证明重新设计和增材制造的部件满足并超过了所有要求的性能规格和安全要求，重量减轻了42%，工艺简化了50%。目前，金属粉末的高成本仍然是在大批量汽车制造应用中更广泛采用金属增材制造的限制因素。未来的研究将包括降低粉末成本的方法和其他D打印工艺的评估，包括选择性激光熔化和直接能量沉积，以实现具有成本效益的金属增材制造，用于最终用途车辆部件的中等批量生产。

参考：

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612523000729

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