案例分析：輕量化的3D打印汽車引擎蓋鉸鏈
汽車輕量化是實現汽車節能減排的重要途徑，已成為汽車發展的潮流。3D打印技術在制造復雜輕量化結構零件方面，給予了設計師更廣闊的設計空間。在輕量化3D打印汽車零部件設計與制造領域中的一個著名應用案例是由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打印節點連接而成。
近期，EDAG工程又發起了一個3D打印輕量化汽車引擎蓋鉸鏈的設計與制造項目-LightHinge+ 。在這個輕量化鉸鏈的設計與制造過程中，EDAG 公司與其合作伙伴一起，通過拓撲優化設計、仿真分析、3D打印技術設計與制造了一個3D打印汽車引擎蓋鉸鏈，鉸鏈在實現輕量化的同時，兼顧到了汽車制造業對于行人保護方面的設計要求。通過仿真分析，項目組對該鉸鏈的3D打印預期進行了有效控制。
3D打印與拓撲優化、仿真“手牽手”
LightHinge+ 項目的目標是詮釋增材制造技術在汽車生產領域中的應用價值與潛力。
圖片來源：EDAG Engineering
項目團隊對鉸鏈進行了再設計，在設計時使用了仿生設計理念，制造時采用的是金屬3D打印設備。EDAG 在進行鉸鏈再設計時使用了拓撲優化技術，得到的鉸鏈在保持了給定的剛度和強度的情況下，與參考零件相比重量減輕了50%。
3D打印鉸鏈（左）傳統鉸鏈（右）, 圖片來源：EDAG Engineering
經過拓撲優化設計的零件在進行打印時會產生一些支撐結構，項目成員之一德國voestalpine增材制造中心對此進行了優化，盡可能減少支撐結構。
3D打印零件的設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和去除支撐結構等后處理工藝進行模擬，以此來預測零件變形和殘余應力。
圖片來源：Simufact
沒有進行過失真補償的鉸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。
圖片來源：Simufact
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），通過隨后的幾個模擬運行進一步改進結果。當項目組開始進行零件的3D打印時，零件已經在公差范圍內。
仿真是管理3D打印預期的一種手段，仿真軟件可以實現金屬微觀力學行為的物理特征呈現，對零件的設計模型在增材制造過程中將要發生的微觀變化實現更好的控制。除此之外，增材制造工藝本身會存在設計與制造不相符的潛在風險。在零件的設計中，往往不考慮零件的應力、變形和金屬加工屬性。然而，零件的增材制造過程，是個熱傳導的過程，在這個過程中零件將會產生殘余應力和變形。
LightHinge+ 3D打印輕量化鉸鏈項目團隊通過仿真技術，在進行3D打印之前就對這些結果進行預測和優化，降低了零件3D打印失敗的風險，縮短了制造時間、降低了制造成本。
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