鄧瀚誠：3D打印技術附能汽車輕量化設計
7月12日，“2018中國汽車輕量化產業(yè)高峰論壇”在上海隆重舉行，論壇以“新技術、新材料、新工藝“為主題，旨在降低汽車自身重量同時提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性和安全性，并對汽車輕量化政策趨勢發(fā)展、整車輕量化平臺化設計方案、關鍵零部件輕量化技術開發(fā)及汽車輕量化多材料應用及成本控制分析等問題展開探討。
3DSystems大中華區(qū)售前與應用經理鄧瀚誠
3DSystems大中華區(qū)售前與應用經理鄧瀚誠具體介紹了3D打印技術在輕量化設計當中的應用，詳見演講實錄(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技術和輕量化設計的結合的話題。我大概分成4個部分，第一個部分介紹一下3DSystems新的材料和3D打印設備產品。第二個部分介紹一下3D打印相關的增材設計輕量化的方法。第三個介紹一下3DSystems軟硬件解決方案在汽車行業(yè)應用以及汽車相關的輕量化應用上能夠提供哪些附加價值，最后一個部分我們講一些增材制造結合輕量化的應用案例，我這邊案例主要是在空天和軍工領域，希望能給大家有一些互動和啟發(fā)。
首先介紹一下我們公司，我們在1983年全球第一個發(fā)明3D打印技術，圖片上的(英文)利用光固化的技術，對液態(tài)實現逐層的固化成型。我們成立于1986年，在1988年銷售了第一臺商用化的3D技術，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的需求網絡，我們總部在南卡的Rock Hill，業(yè)務遍布全球，有2500名員工。介紹一下3DSystems公司在2018年有3款新的材料和設備。我們以客戶為中心打造以應用價值為生態(tài)圈的生態(tài)系統(tǒng)，覆蓋解決方案不止是3D打印的技術，包括數字化、設計模擬、制造、過程管理等等，整個的3D打印的應用條線。主要提升生產效率，提升零件和制件的耐用性，提升重復精度，降低總體保有成本。
這個是在今年比較重要的一個核心，這是一款模塊化的可以擴展的快速的塑料光固化的技術叫Figure 4。解決了產能問題，第二個解決單一的3D打印技術不能使用多種材料的問題，第三個是解決3D打印因為單個環(huán)節(jié)的工藝不是完整的工藝條線，需要復合后道處理，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，提升了生產效率，同時降低保有成本之后，才能跨向于大批量生產的市場，3D打印還是局限在定制化、小批量，我們這個目標年產在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。面向的是航空航天、汽車、醫(yī)療這一塊。這一個是可擴展的模塊，解決了我剛才講的幾個主要局限3D打印大批量定制應用的技術上的問題。
第二個部分是我們在高分子材料有一些新的材料比較適合于汽車和其他工業(yè)機械行業(yè)里的應用。高分子尼龍是唯一能夠實現真正熱塑性材料3D打印的技術，我們通過10多年的研發(fā)已經擁有很多新材料，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、交通運輸等地方應用，可以降低以前舊材料的生產成本以及提升它的后處理的工藝性，主要用在商用飛機的內飾這一塊。鋁粉填充可以提升質感有金屬質感可以做硬度的測試，以及生產家具。尼龍11材料比普通的尼龍材料韌性更好，研發(fā)成純黑色主要因為在這個方面的應用主要是在汽車的發(fā)動機附近的硬件，要求零件顏色是純黑的。
第三款新品主要是大型的金屬機的產品，這個是今年推出的Factory 500，可以在三個軸上做到500毫米以上的鋪粉式打印機，這個在金屬成形領域不算大，但是在3D打印應用比較大的。對于工業(yè)器械的客戶來講，保有價值非常高，中間的打印模塊可以快速的取出，提升用戶主機設備的翻轉使用效率，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，目前我們在歐洲做的主要的測試面向的是航天以及醫(yī)療的嚴苛零部件的批量化生產。這個是金屬打印未來工廠的概念圖。
第二個部分給大家介紹一下可以和3D打印相關的輕量化設計的方法，主要其實就是兩個。從輕量化思路來講，它是一個三維的建模理論結合3D打印本身的材料成型的一些技術特征，貫徹結構優(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)化設計本身可以規(guī)避掉一部分3D打印過程當中成型工藝過程當中的風險，可以降低對增材制造工藝的要求，隨著增材制造技術的發(fā)展，這個已經應用的越來越廣泛。
我們講一下拓撲優(yōu)化，把宏觀的尋求最優(yōu)拓撲問題轉化為給定的設計區(qū)域尋求最優(yōu)材料的分布問題。拓撲優(yōu)化主要有兩種思路-進化法和退化法，下面的兩頁分別介紹了兩種思路中對應的兩個典型方法，一個是進化法當中的漸進結構優(yōu)化，第二個是退化法的均勻化。退化法一種均勻化的方法是在設計區(qū)域內構造周期性分布的微結構，這些微結構是同一種各向同性材料實體和孔洞復合而成。漸進結構法是通過把無效和低效結構的裁剪，是現在數學規(guī)劃過程當中避免多變量求解的過程。
晶格和拓撲有點不同，晶格應用于航空航天、醫(yī)療的主要手段，未來在汽車行業(yè)會不會有這樣應用的前景，晶格具有以上幾個技術優(yōu)勢，在輕量化同時有高強高鋼的特性，有抗沖擊的能力，在空間應用上有電磁屏蔽的功能。晶格設計比較簡單，用一個點陣的結構代替一個實體結構。
第三個部分給大家講一下3DSystems實現輕量化設計的3D打印。3DSystems公司擁有全球最全的3D打印的技術包括彩色粉末打印，蠟型打印，光固化樹脂打印，尼龍、金屬等等不同材料，我們又是一個復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。我們有幾個比較大的有名的品牌，一個叫Geomagic是三維掃描和檢測行業(yè)非常重要的一個軟件，旗下有很多產品。另外一個是以色列的一款叫Cimatron CAD和CAM的軟件，這個也是3DSystems旗下的產品，Gibbscam是車銑復合的軟件。
3D打印從運型成型到生產隨著技術應用越來越深化，可以實現應用價值的轉移，傳輸的附加值相信對增材技術了解的同仁應該有一個概念，一定要利用3D打印的特點，包括輕量化、一體化、復雜結構、快速反應等等，實現大規(guī)模定制，零庫存，縮短上市時間等等。
3DSystems既有的解決方案里面有哪些應用，一個是縮短上市周期，第二個是利用輕型零件實現燃油經濟性，第三個是按需生產現有或者過時的零部件，這個是軟硬件結合的解決方案。第一個部分是縮短產品推向市場的時間，這是一個利用全透明的光敏樹脂做的車頭燈的原形。這個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。這個是在美國硬地賽車，在不同的分戰(zhàn)比賽當中要求快速，在兩周之內對減速傳動輪做了一個改進設計，利用3D金屬打印生產部件直接裝車，上比賽。我們在光敏樹脂材料里面填充陶瓷硅化物，提升剛性和耐溫性，這個材料因為有比較好的結構穩(wěn)定性和耐溫性，比較適合利用在空氣動力學測試的原形還有就是大家看到一個焊接生產線非常復雜的管路安裝固定藍色部分是用3D打印做出來的，主要是因為它在樹脂材料里面有高精度，又有極高的結構穩(wěn)定性和耐溫的性能。
我們還是通過一體化實現的，因為必須3D打印附加優(yōu)勢必須要結合一體設計。生產改造和零部件這一塊一個是利用軟件三維掃描去做一些過時零件的復原，老爺車，還有航天的零件，還有數字化技術沒有成熟的時候設計出來的零件，逆向工程結合3D打印復制出來。還有就是改變一些特殊的模具的生產，這個是我們做的比較成熟的在汽車相當于是汽車零部件上一個輪胎，主要是輪胎，是做槽紋拼接模具和插片。這是比較適合3D打印有附加價值的應用條線。這個也是一個利用軟件和硬件復合在短期內做一個會展上的定制車輛。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，首先這個軟件是全球在3D打印領域唯一一個直接使用CAD為基礎數據環(huán)境。它一次性涵蓋了數據導入，CAD的優(yōu)化，晶格或者拓撲填充做工藝的設計，激光加工的策略優(yōu)化。在晶格軟件這一塊通過V-rep的技術快速的創(chuàng)建以及結合可視化的交互操作，同時因為在3DXpert中CAD的原始基礎數據環(huán)境當中實現，和歷史參數化的數據實現無縫的結合，解決了在網格化的近似數據進行優(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節(jié)點可以從CAE里面導入。下面這一段視頻看一看能不能播放。這個是利用金屬打印軟件晶格的優(yōu)化功能直接進行優(yōu)化，和第三方軟件實現的晶格的區(qū)別是工藝上是比較復雜的技術，必須在內嵌的軟件做一個優(yōu)化，避免反復的數據轉換影響工藝工程師對成型整體過程的管控。同時我們自己優(yōu)化了晶格優(yōu)化背后的引擎的算法，使得這樣一個非常多曲面的結構能夠在這個軟件里面使用過程當中不會出現特別的卡頓，因為它是CAD的基礎數據環(huán)境，可以在不同的點線面體的特征上點選不同的晶格和變化趨勢。
這個是它的一些應用，在醫(yī)療方面為什么要用這種多種晶格符合呢?在醫(yī)療上有一個模量調整的過程，因為植入有一個應力屏蔽的要求，所以需要在一個人體植入上設計出不同的晶格調整模量。在航空航天上也是一個應用。
最后給大家介紹幾個空天和軍工上的3D打印結合輕量化應用的案例。這個案例是航空的格柵鉸鏈，航空航天的應用上來講，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。從案例上來看第一個是法國Thales Alenia給韓國Koreasat做的支架的設計。同樣T在去年上半年也在東南亞也有一個項目，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，保持強度比。法國叫Sogaclair的公司也是拓撲優(yōu)化，大的金屬零部件不是直接3D打印出來，是通過粘合的技術打了一個砂型，也是通過仿生優(yōu)化的設計方式再通過3D打印的方式生產出來，這個是自然雜志在去年記載了丹麥理工大學的項目，在27米的機遇切成11億個單位進行分解得到減重的結果。這個項目驗證了利用晶格填充結合拓撲優(yōu)化，把拓撲和晶格兩種輕量化的方法結合在上面，驗證沖擊載荷環(huán)境下它的性能。最后一頁是晶格的一些應用，主要在流體力學、航空上、發(fā)動機、鋼鐵上的案例，我給大家的介紹內容就是這些，謝謝大家。
主持人：大家對3D打印有什么問題現在還可以1-2個問題。
提問：我問一個問題，很多主機廠說個性化的東西，有的量很小，現在有沒有3D打印應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，其實前一段時間有一輛概念車整車基本內外飾都是用3D打印做的，其實可能只是說一個個性化或者展示的概念，因為現在的3D打印的材料成型能夠做的零件尤其是在外飾上應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：內飾呢?
鄧瀚誠：內飾可以接近最終的需求，3D打印本身的成本也挺高的，只有模塊化的生產設備，把產能提升和單件成本降下來之后，未來可以做大批量的年產，這個是可以實現的。
主持人：還有其他的朋友有問題嗎?我這邊有一個問題，剛才你提到因為3D打印金屬的價格比較貴，更多用在原形件，汽車里面存在這樣一個問題，我們試制問題是為了以后做硬模，我們做原形件的時候希望力學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，我們提出一個觀點，給3D打印提出一條新的路，你通過熱處理可以調整3D打印這樣的性能，如果你可以把3D打印的性能調整到和我的零件是一致的，你這個時候給我做的原形件我就可以接受，汽車做軟模的時候原形件是很貴的，這時候3D打印的優(yōu)勢就出來了。這個我覺得是一個3D打印可能的方向，如果性能不一樣，我沒法驗證我原來的設計整個的工況夠不夠，這可能是一個問題。
鄧瀚誠：孫博士講的很有道理，如果只是用在功能設計原形必須要有一定的對照的參考價值，還有一個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濟附加價值，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，設計的時候不能以傳統(tǒng)的方式設計，這是很好的想法，你要想到最開始設計一個車的時候，如果基于3D打印設計的話，如果這個東西有問題，我沒有替代的方案，可能正個車問下推的時候都會出現問題，大多數的車廠最開始的時候都按照傳統(tǒng)車推的，我們能不能用上3D打印的零件呢，這個肯定有困難，我說也許在軟模試制上，這個也是一個方向。
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