汽车钣金类零件激光选区熔化成形尺寸控制与数值模拟

文/吕海马·钢研纳克检测技术股份有限公司

白晶斐，张学睿，陈诚，门正兴·成都航空职业技术学院

激光选区熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是目前最成熟、成形效率最高、应用最为广泛的金属零件直接增材制造技术，在汽车零部件制造领域大量使用。汽车制造商保时捷应用激光选区熔化技术开发了新型电子驱动总成，对差速器进行了创新设计，实现了更高效的传动；Conflux公司基于增材制造思维对换热器进行了重新设计，得到了传统工艺方法无法得到的复杂内部几何结构，使得热交换能力提升了三倍；汽车轮胎生产商米其林采用激光选区熔化技术直接打印轮胎模具，提高了轮胎寿命及材料利用率；宝马汽车通过SLM技术制造的轻量化支架，随着i8 Roadster的批量化生产而进入到量产领域。激光选区熔化成形技术快速成形汽车钣金件在汽车研发阶段大量使用，由于钣金件形状复杂、壁厚较小、尺寸较大、支撑较多等原因，钣金件SLM成形成功率较低，尺寸偏差较大。采用基于固态应变法的Simufact Addictive软件对钣金零件进行摆放方式、支撑布置、尺寸反向补偿等优化可以大幅提高成形精度，提高打印效率。

钣金件分析

典型汽车支撑类钣金件如图1所示，零件壁厚1.6mm，最大外形尺寸122mm×55mm×129mm，质量仅为325g。该零件如采用常规工艺进行生产，需要进行冲孔落料、折弯、成形三道工序完成，如图2所示，三套模具制造成本2万元左右，生产周期为15～20天，适用于零件定型后大规模生产，在成本和周期上都无法满足新型号汽车产品快速研发需求。

图1 汽车钣金件示意图

图2 钣金件成形示意图

激光选区熔化成形过程模拟分析

采用Simufact Additive对钣金件的激光选区熔化成形工艺进行优化，能极大地节约成形时间，提高成形零件质量。该钣金件摆放方式1如图3（a）所示，零件竖直放置于成形基板上，此时零件所需支撑较少，但成形高度较高。划分像素体网格的零件如图3（b）所示，六面体单元网格为正方体，最大尺寸1.91mm，共划分网格13750个。

图3 钣金件SLM成形方案1

钣金件SLM成形不同阶段最大变形分布云图如图4所示，图中正值表示计算出的形状在初始参考形状外，负值表示计算出的形状在初始参考形状内。由图可知，零件竖直放置成形过程中，钣金件总体变形较为均匀，在零件棱边和裙边与支撑区域会发生较大变形，最大变形尺寸达到0.67mm。计算得到该零件如单独SLM成形需46h左右。

图4 钣金件竖直放置SLM成形过程中变形分布

钣金件摆放方式2如图5（a）所示，零件水平放置于成形基板上，零件成形高度较低，但两侧支撑较多，成形后线切割及去除支撑面积较大。划分像素体网格的零件如图5（b）所示，六面体单元网格为正方体，最大尺寸1.91mm，共划分网格51825个。

图5 钣金件SLM成形方案2

钣金件水平放置SLM成形不同阶段最大变形分布云图如图6所示，由图可知，零件水平放置成形过程中，零件变形随着成形高度的增加而变大，特别是在零件的后端出现1.24mm左右的变形。计算得到该零件如单独SLM成形需20h左右。

图6 钣金件水平放置SLM成形过程中变形分布

综合对比钣金件竖直放置与水平放置结果，尽管钣金件竖直放置成形时间较长，但支撑较少，最终零件变形小以及后期处理较为简单，因此选择钣金件竖直放置成形。随后，对钣金件竖直放置支撑进行优化，不同的支撑分布及支撑结构都对零件的最终质量产生影响。优化后的零件底部支撑设计俯视图如图7（a）所示，由图7（b）可知，优化后零件变形有所改善（对比图4），原设计中零件棱边变形基本消除，支撑区域最大变形由0.67mm减小到0.47mm。

图7 钣金件SLM成形支撑优化

进一步采用反向变形降低最终零件与零件数字模型的偏差，设定最大允许偏差值为0.1mm，通过6次迭代计算得到最终激光选区熔化成形钣金件模型如图8所示。由图可知，钣金件最大变形减小到0.09mm，变形最大区域为零件棱边和裙边与支撑区域。

图8 优化后钣金件变形云图

钣金件激光选区熔化成形

采用GF Flex 350进行汽车钣金件激光选区熔化成形，原材料为粒度15～53μm的球形304L不锈钢粉末。304L不锈钢材料成形主要工艺参数为：激光功率300 W、激光扫描速度900mm/s，单层成形厚度0.03mm。打印结束后得到钣金件如图9所示，由于多个零件共同打印，打印总时间为54h。最终零件如图10所示，零件表面无明显缺陷，各项力学性能达到设计要求，零件尺寸精度符合装配要求。从接到图纸到交付最终零件共耗时5天，生产周期缩短16%，而生产成本仅仅为传统工艺的10%，多种试验件的批次打印效果更佳。

图9 钣金件SLM成形

图10 SLM成形汽车钣金件

结 束 语

采用Simufact Additive软件对汽车钣金件激光选区熔化成形全过程进行分析，实现钣金类零件摆放方式、支撑结构、零件模型的优化，可以大大提高SLM成形效率，提高最终成形零件精度。采用GF Flex 350对汽车钣金件进行304L不锈钢材料激光选区熔化成形工艺研究，钣金件力学性能及几何尺寸精度均达到设计要求，生产周期缩短16%，生产成本仅仅为传统工艺的10%。