使用金属 3D 打印使金属零件更轻

制造轻质金属零件是汽车和航空航天等高性能行业的圣杯——这就是制造商不断努力寻找新方法来设计和制造具有增强零件性能的更轻金属零件的原因。 3D 打印 ，凭借其创建复杂设计的能力，可以成为对轻质金属部件日益增长的需求的解决方案。

制造商为什么要追求轻量化的金属部件？

航空航天和汽车等行业面临着优化燃料消耗效率、降低生产成本和满足严格的有害排放监管标准的挑战。轻量化，即让零件更轻的做法，是应对这些挑战的一种解决方案。

更轻的零件意味着更轻的车辆和飞机，从而减少燃料消耗并减少排放。由于交货时间较长且缺乏生产复杂几何形状的经济可行方法，因此传统制造方法难以实现金属轻量化。高材料浪费和模具成本（在注塑成型的情况下）也是令人望而却步的因素。

3D打印：金属轻量化解决方案

发送 22 - 吨飞机有效载荷进入近地轨道成本 6200 万美元 - 根据 3D Systems 进行的研究，每公斤近 3,000 美元。由于从飞机总重量中减去的每一公斤都转化为成本节约，因此重量生产成为一个关键的优先事项。同样，零件越轻，生产它所用的材料就越少，这又降低了制造成本。

3D 打印是一种制造技术，可以逐层创建零件，仅在需要的地方使用材料。与传统的生产技术不同，3D 打印将复杂性转化为资产，为经济高效地制造轻型复杂金属零件创造了机会。

除了是生产更轻金属零件的更具成本效益的选择之外，3D 打印过程通常比传统制造过程更快。作为一种免工具技术，增材制造直接从数字文件中创建零件，显着加快了制造过程。

通常，选择粉末床融合工艺来生产较轻的金属部件。在激光的帮助下，金属粉末层融合在一起，从而制造出几何复杂的轻型结构。

3D 打印如何让金属零件更轻？

使用先进的设计软件
成功地使用 3D 打印创建轻量级零件总是从设计开始。由于 3D 打印提供的设计自由度，该技术可以与先进的设计软件无缝结合，包括衍生式设计、拓扑优化和晶格构建软件等。

使用复杂的算法、拓扑优化和衍生式设计工具有助于优化零件的几何形状和材料分布。通过在由一组参数定义的位置添加或删除材料，这些工具允许工程师探索无限的设计选项并找到给定零件的最佳轻量化结构。

例如，通用汽车公司已经在使用这些先进技术制造每辆车平均减重超过 150 公斤的车型。


在另一个例子中，GE Aircraft 的拓扑优化的 3D 打印钛支架实现了惊人的 70% 的重量减轻。使用 Frustum 的 Generate 拓扑优化软件，工程师能够确定支架内最有效的材料分布，以满足性能要求。

设计优化还意味着零件数量也可以减少。通过将多个结构部件组合成一个，可以生产出更轻、更高效的部件。空客已经为 A380 飞机配备了 3D 打印钛执行器阀块，其重量比传统制造的同类产品轻 35%，并且由更少的零件组成。

应用内部晶格结构是减轻金属部件重量的另一种设计方法。非结构实心金属部件是使用格子重新设计它们的理想用例，在保持完整功能的同时使它们更轻。

使用材料来增强性能
用于 3D 打印的新材料不断发展，进一步推动了金属轻量化所能实现的目标。 Scalmalloy 一个很好的例子：由 APWorks 开发的 Scalmalloy 是一种金属粉末合金，它结合了铝的轻盈和几乎与钛相同的比强度和延展性。 Scalmalloy 的高强度重量比使这种材料在航空航天和汽车工业中特别受欢迎，可用于生产轻质但高度坚固的功能部件。

金属基复合材料 (MMC) 也显示出金属轻量化的巨大前景。 MMC 是由金属和另一种金属或陶瓷和有机化合物组成的复合材料。尽管 MMC 是增材制造中的新型材料，但该技术可以为使用这些具有高强度和刚度的高性能轻质材料生产零件提供新的机会。例如，Elementum3D 正在开发一种专门用于金属 3D 打印的金属和陶瓷复合材料。这种材料将能够生产坚固、轻便、耐热的金属部件，例如航空航天或汽车发动机部件。

金属轻量化的价值不断增长

成功的 3D 打印金属零件需要了解金属增材制造技术和材料的可能性和局限性。因此，关键的挑战是重新思考传统的设计方法，而不是专门针对增材制造的需求进行设计。

随着对金属轻量化的追求越来越受到关注，高性能行业的制造商的任务是平衡最大化强度和性能同时最小化零件重量的竞争目标。

3D 打印为平衡这些目标提供了理想的解决方案，尤其是与先进的设计软件和材料结合使用时。诚然，我们才刚刚开始触及金属 3D 打印可能的表面。然而，在降低生产成本的同时，以更快的交付周期制造轻型部件的可能性将使制造商能够从向市场提供更好、更轻和更高效的产品中获益。

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