用于打印的轻量化材料研究(2)
4 Ti合金材料
Ti合金具有比重小、比强度高,高温性能好,耐腐蚀能力强等优良特性,被广泛用于航空、舰船、石油化工、生物医学等领域。Ti合金是继钢铁、Al合金、Mg合金等常用金属后又一种新型轻质结构材料,它的应用水平已成为衡量工程领域选材先进程度的一个重要标志,被世界多个军事强国列为重点发展的二十一世纪具有战略意义的新型结构金属材料。
图1 Mg合金的3D打印成品案例[13]
有报道称,航天飞机每减重1kg,其发射成本可减少约1.5万美元;洲际导弹战斗部每减重1kg,则可使整个弹体减重约5kg[14]。目前,美国的F-22猛禽号等战斗机的钛及Ti合金的使用量已经超过40%,此外,美国的高空高速侦察机SR-71结构上的Ti合金用量占93%,号称“全钛飞机”[15]。沈阳航空航天大学通过增材制造技术生产的Ti合金承力构件在国产某型号隐身战机首飞中发挥重大作用。
由于一体化Ti合金的零件的使用,大大降低了整机的重量,提高了战机的稳定性,也减少了燃料的使用量,并且相比传统加工制造方式,节省了大型铸锻设备、减少开坯模具等,缩短研制周期、减少制造成本[16]。张弛等[17]人利用SLM技术成功制造出了航天耐高温TC11Ti合金,在保证结构强度等力学性能不变的情况下,零件的质量减轻了约10%左右,制造周期缩短了50%以上,材料利用率由21.3%提高到了85%,零件尺寸精度达到,表面粗糙度小于Ra6.3μm。刘嘉鑫等[18]人基于3D打印技术,用Ti合金材料代替了传统的钢炮材料制造了30mm口径新型复杂结构航炮炮口制退器,重量减轻了41%,最大总变形量降低了70%,最大应力值降低了19%,提高了火炮的射击稳定性。
5 高分子复合材料
塑料、橡胶等都属于高分子材料,其具有密度小、耐腐蚀、易成型等特点,被广泛应用于各个领域。随着高分子复合材料研究的进步,已经在许多领域代替了金属材料,除了保障生产制造的质量及经济性需求外,还能起到一定的美化作用,是当前重要的轻质材料之一,尤其是对于航空航天、交通运输等行业发展提供了新的方向。当前阶段汽车仪表板、挡泥板、油箱、车门内板、风扇叶片等基础构建上都广泛应用塑料。
聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide,PPS)材料比强度高,性能优异,是汽车轻量化的理想材料。吉林大学王玉磊等[19]人利用自主开发的PPS3D打印系统成功打印出了复杂结构汽车零件,分析了PPS3D打印件汽车零件与原三维模型尺寸的偏差,结果显示偏差在-0.15~0.1mm内的数据点占整体数据点的89.81%;偏差在0.2~0.35mm的数据点为2.42%,偏差在-0.2~0.15mm内的数据点为3.82%,偏差在-0.4~-0.2mm的数据点为3.90%,相比较传统制造工艺,此PPS3D打印件尺寸精度提高,使汽车总质量显著降低,耗油能也大大减少。新加坡南洋理工大学Seung Ki Moon 等[20]人利用3D打印制造技术,选取聚丙烯状光聚合物材料,为无人机打印出复杂结构零件,并进行压缩实验,检验了充气机翼有效性设计,研究结果表明打印结构零件的负载能力高,为无人机的设计、开发及飞行提供了极大的灵活性。
6 结语
本文介绍了目前国内外对轻量化材料的研究,轻量化材料的研究主要有Al合金、Mg合金、钛合金以及高分子复合材料。增材制造技术、轻量化设计将会进一步促进了人类在航空航天、交通运输、工业等领域的进步和发展。
基于增材制造技术的轻量化是一个涉及计算机科学、材料学、结构力学、设计学等多个学科的研究方向,对人类未来发的发展具有巨大的意义,但由于该学科的复杂性和目前技术的局限性,仍然存在不足和需要进一步改进的地方。如:目前适合用于增材制造的材料种类有限;多种增材制造技术工艺参数对材料的影响因素存在不确定性;结构优化存在一定的局限性。
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文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/qikandaodu/2021/0709/1503.html
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