汽車鈑金類零件激光選區(qū)熔化成形尺寸控制與數值模擬

文/呂海馬·鋼研納克檢測技術股份有限公司

白晶斐，張學睿，陳誠，門正興·成都航空職業(yè)技術學院

激光選區(qū)熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）是目前最成熟、成形效率最高、應用最為廣泛的金屬零件直接增材制造技術，在汽車零部件制造領域大量使用。汽車制造商保時捷應用激光選區(qū)熔化技術開發(fā)了新型電子驅動總成，對差速器進行了創(chuàng)新設計，實現了更高效的傳動；Conflux公司基于增材制造思維對換熱器進行了重新設計，得到了傳統(tǒng)工藝方法無法得到的復雜內部幾何結構，使得熱交換能力提升了三倍；汽車輪胎生產商米其林采用激光選區(qū)熔化技術直接打印輪胎模具，提高了輪胎壽命及材料利用率；寶馬汽車通過SLM技術制造的輕量化支架，隨著i8 Roadster的批量化生產而進入到量產領域。激光選區(qū)熔化成形技術快速成形汽車鈑金件在汽車研發(fā)階段大量使用，由于鈑金件形狀復雜、壁厚較小、尺寸較大、支撐較多等原因，鈑金件SLM成形成功率較低，尺寸偏差較大。采用基于固態(tài)應變法的Simufact Addictive軟件對鈑金零件進行擺放方式、支撐布置、尺寸反向補償等優(yōu)化可以大幅提高成形精度，提高打印效率。

鈑金件分析

典型汽車支撐類鈑金件如圖1所示，零件壁厚1.6mm，最大外形尺寸122mm×55mm×129mm，質量僅為325g。該零件如采用常規(guī)工藝進行生產，需要進行沖孔落料、折彎、成形三道工序完成，如圖2所示，三套模具制造成本2萬元左右，生產周期為15～20天，適用于零件定型后大規(guī)模生產，在成本和周期上都無法滿足新型號汽車產品快速研發(fā)需求。

圖1 汽車鈑金件示意圖

圖2 鈑金件成形示意圖

激光選區(qū)熔化成形過程模擬分析

采用Simufact Additive對鈑金件的激光選區(qū)熔化成形工藝進行優(yōu)化，能極大地節(jié)約成形時間，提高成形零件質量。該鈑金件擺放方式1如圖3（a）所示，零件豎直放置于成形基板上，此時零件所需支撐較少，但成形高度較高。劃分像素體網格的零件如圖3（b）所示，六面體單元網格為正方體，最大尺寸1.91mm，共劃分網格13750個。

圖3 鈑金件SLM成形方案1

鈑金件SLM成形不同階段最大變形分布云圖如圖4所示，圖中正值表示計算出的形狀在初始參考形狀外，負值表示計算出的形狀在初始參考形狀內。由圖可知，零件豎直放置成形過程中，鈑金件總體變形較為均勻，在零件棱邊和裙邊與支撐區(qū)域會發(fā)生較大變形，最大變形尺寸達到0.67mm。計算得到該零件如單獨SLM成形需46h左右。

圖4 鈑金件豎直放置SLM成形過程中變形分布

鈑金件擺放方式2如圖5（a）所示，零件水平放置于成形基板上，零件成形高度較低，但兩側支撐較多，成形后線切割及去除支撐面積較大。劃分像素體網格的零件如圖5（b）所示，六面體單元網格為正方體，最大尺寸1.91mm，共劃分網格51825個。

圖5 鈑金件SLM成形方案2

鈑金件水平放置SLM成形不同階段最大變形分布云圖如圖6所示，由圖可知，零件水平放置成形過程中，零件變形隨著成形高度的增加而變大，特別是在零件的后端出現1.24mm左右的變形。計算得到該零件如單獨SLM成形需20h左右。

圖6 鈑金件水平放置SLM成形過程中變形分布

綜合對比鈑金件豎直放置與水平放置結果，盡管鈑金件豎直放置成形時間較長，但支撐較少，最終零件變形小以及后期處理較為簡單，因此選擇鈑金件豎直放置成形。隨后，對鈑金件豎直放置支撐進行優(yōu)化，不同的支撐分布及支撐結構都對零件的最終質量產生影響。優(yōu)化后的零件底部支撐設計俯視圖如圖7（a）所示，由圖7（b）可知，優(yōu)化后零件變形有所改善（對比圖4），原設計中零件棱邊變形基本消除，支撐區(qū)域最大變形由0.67mm減小到0.47mm。

圖7 鈑金件SLM成形支撐優(yōu)化

進一步采用反向變形降低最終零件與零件數字模型的偏差，設定最大允許偏差值為0.1mm，通過6次迭代計算得到最終激光選區(qū)熔化成形鈑金件模型如圖8所示。由圖可知，鈑金件最大變形減小到0.09mm，變形最大區(qū)域為零件棱邊和裙邊與支撐區(qū)域。

圖8 優(yōu)化后鈑金件變形云圖

鈑金件激光選區(qū)熔化成形

采用GF Flex 350進行汽車鈑金件激光選區(qū)熔化成形，原材料為粒度15～53μm的球形304L不銹鋼粉末。304L不銹鋼材料成形主要工藝參數為：激光功率300 W、激光掃描速度900mm/s，單層成形厚度0.03mm。打印結束后得到鈑金件如圖9所示，由于多個零件共同打印，打印總時間為54h。最終零件如圖10所示，零件表面無明顯缺陷，各項力學性能達到設計要求，零件尺寸精度符合裝配要求。從接到圖紙到交付最終零件共耗時5天，生產周期縮短16%，而生產成本僅僅為傳統(tǒng)工藝的10%，多種試驗件的批次打印效果更佳。

圖9 鈑金件SLM成形

圖10 SLM成形汽車鈑金件

結 束 語

采用Simufact Additive軟件對汽車鈑金件激光選區(qū)熔化成形全過程進行分析，實現鈑金類零件擺放方式、支撐結構、零件模型的優(yōu)化，可以大大提高SLM成形效率，提高最終成形零件精度。采用GF Flex 350對汽車鈑金件進行304L不銹鋼材料激光選區(qū)熔化成形工藝研究，鈑金件力學性能及幾何尺寸精度均達到設計要求，生產周期縮短16%，生產成本僅僅為傳統(tǒng)工藝的10%。