汽车钣金加工(汽车钣金工)

（广告）(广告)

选择性激光熔化(SLM)是最成熟、最高效、应用最广泛的金属零件直接增材制造技术，广泛应用于汽车零部件制造领域。汽车制造商保时捷利用激光选择性熔化技术开发了一种新型电子驱动总成，并创新性地设计了差速器，以实现更高效的传动。Lux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Conflux内部几何结构，换热能力提高了3倍。汽车制造商米其林采用激光选择性熔化技术直接打印轮胎模具，提高了轮胎寿命和材料利用率；随着i8 Roadster的量产，宝马采用SLM技术制造的轻量化支架进入量产领域。激光选区熔化成形技术广泛应用于汽车R&D阶段。由于板料形状复杂、壁厚小、尺寸大、支撑多，板料的SLM成形成功率低，尺寸偏差大。利用基于固态应变法的Simufact Addictive软件优化钣金件的排样、支撑布置和尺寸反向补偿，可以大大提高成形精度和打印效率。

钣金分析

典型的汽车支撑钣金件如图1所示。零件壁厚1.6mm，最大尺寸122mm×55mm×129mm，质量只有325g。如果用常规工艺生产这个零件，需要经过冲孔、落料、弯曲、成形三个工序。如图2所示，三套模具的制造成本约为2万元，生产周期为15-20天。零件成型后适合批量生产，但无论是成本还是周期都不能满足汽车产品新车型快速研发的需求。

图1汽车钣金零件示意图

图2钣金零件成形图

激光选区熔化成形过程的模拟分析

利用Simufact添加剂优化板料零件的激光选区熔化成形工艺，可以大大节省成形时间，提高成形零件的质量。如图3(a)所示，钣金零件放置模式1是将零件垂直放置在成型基板上。此时零件需要的支撑较少，但成形高度较高。如图3(b)所示，划分像素网格的部分为立方体，最大尺寸为1.91mm，划分了个网格。

图3金属板SLM成形方案1

板材SLM成形不同阶段的最大变形分布云图如图4所示。图中的正值表示计算形状在初始参考形状之外，负值表示计算形状在初始参考形状之内。从图中可以看出，钣金零件在零件的垂直成形过程中，整体变形比较均匀，零件的边缘、裙边和支撑区域会发生较大的变形，最大变形尺寸达到0.67 mm，计算得出该零件单独SLM成形需要46小时左右。

图4板材在垂直SLM成形过程中的变形分布

钣金放置模式2如图5(a)所示。零件水平放置在成形基板上，零件成形高度较低，但两侧支撑较多，成形后切去支撑面积较大。如图5(b)所示，划分像素网格的部分为立方体，最大尺寸为1.91mm，共划分了个网格。

图5金属板SLM成形方案2

图6显示了金属板水平放置SLM成形的不同阶段的最大变形分布的云图。从图中可以看出，零件的变形随着成形高度的增加而变大，尤其是零件后端1.24mm左右的变形。据计算，仅通过SLM形成该部分大约需要20个小时。

图6板料在水平SLM成形过程中的变形分布

比较钣金零件垂直放置和水平放置的结果，虽然钣金零件垂直放置成型时间长，但支撑少，最终零件变形小，后处理更简单，所以选择钣金零件垂直放置。然后，对钣金零件的垂直支撑进行优化，不同的支撑分布和结构都对零件的最终质量产生影响。优化零件的底部支撑设计的俯视图如图7(a)所示。从图7(b)可以看出，优化后的零件变形有所改善(与图4相比)。在原设计中，基本消除了零件的边缘变形，支撑区域的最大变形由0.67mm减小到0.47 mm。

图7钣金零件SLM成形支架的优化

进一步，采用反向变形来减小最终零件与零件数字模型的偏差，最大允许偏差设置为0.1mm，经过6次迭代，得到最终的激光选区熔化板料模型，如图8所示。从图中可以看出，板料的最大变形减小到0.09mm，最大变形区域是零件的边缘、裙边和支撑区域。

图8优化后的钣金零件变形云图

金属板件的激光选择性熔化成形

GF Flex 350用于汽车钣金零件的激光选择性熔化。原料为粒径为15～53 μm的球形304L不锈钢粉末，304L不锈钢成形的主要工艺参数为:激光功率300 W，激光扫描速度900mm/s，单层成形厚度0.03mm..印刷后获得的金属片部件如图9所示。因为多个部分一起打印，所以总打印时间为54h。如图10所示，最终零件表面无明显缺陷，各项力学性能满足设计要求，零件尺寸精度满足装配要求。从收到图纸到交付最终零件需要5天，生产周期缩短16%，生产成本仅为传统工艺的10%。各种试件批量打印效果更好。

图9金属板SLM成形

图10 SLM成形汽车金属板零件

结束词

利用SIMU FACT附加软件对汽车钣金零件激光选区熔化成形的全过程进行分析，并对钣金零件的放置方式、支撑结构和零件模型进行优化，可以大大提高SLM成形效率，提高最终成形零件的精度。利用GF Flex 350研究了汽车板用304L不锈钢的激光选区熔化成形工艺。板材的力学性能和几何精度达到了设计要求，生产周期缩短了16%，生产成本仅为传统工艺的10%。

陆海马

作者简介

检测中心销售管理部主任、工程师，主要从事金属材料的理化检测和市场营销。

——摘自《钣金与制造》2022年第3期