增材制造与汽车开发

国家增材制造创新中心 Vational1 西安增材制造国家研究院有限公司 ationInstituteofAdditiveManufacturing 增材制造与汽车开发 国家增材制造创新中心 卢秉恒朱刚 2023年8月23日 增材制造技术的发展现状及趋势 目录增材制造在汽车领域应用 CONTENTS 航空航天等领域的应用 国家增材制造创新中心介绍 1.1创新中心简介 口首批《中国制造2025》五大工程之首的国家级制造业创新中心 口以国家战略自标和制造业创新发展为导向，通过多学科交叉创新和政产学研金用协同创新，打造完整的创新链，引领增材制造发展，带动整个制造业的转型升级 2016.7.29 2016.12.23 2019.04.24 2020.1.18 公司注册成立 工信部正式批复同意建设创新中心 创新中心通过工信部 现场考评 《增材制造创新能 力建设》通过验收 家增科制创新中 国家增材制造建设工作推进会 创新中心 2016.10.242017.01.112019.09.25 国家增材制造创新中心工信部批复《增材制造工信部召开创新中心建设方案通过论证创新能力建设》建设推进会 P3 1.2人才队伍 03精英技术人员 博士，高级工程师、硕士、 1名特聘教授（02专业技术人员等 朱刚高效人 副总工程师才团队 1名中国工程院院士01 卢秉恒董事长，总工程师 ·中国3D打印之父 ·西安交通大学教授、博导 总员工200余人 硕士以上学历占比80%以上；研发人员占比80%以上。 P4 创新中心定位 致力于技术成熟度4-7级的行业 GapinManufacturingInnovation Government&PrivateSector UniversitiesGAP 前沿、共性和关键技术的研发政府与大学商业领域 技术转移转化，助力基础研究技 术成功跨越“死亡之谷”，为行TechnologyReadinessLevel 业发展提供竞争能力。 建设建成技术研发、中试、公共测试、制造服务、产业孵化、投 内容融资和人才培养于一体的创新平台。 国家增材制造创新中心 研发中试平台： 建成了三大创新能力拥有各类金属、非金属打印设备 平台，2020年1月通111台，已累计服务企业150余 过验收家 面向行业用户提供工公共测试平台： 艺技术解决方案、中拥有各类设备70台，达到72类的 试验证、检验测试等检测能力，已向行业提供7400余 一站式创新服务能力 》关键器件与软件研发 西步交通大学 国家材制造创新中 西安增材制造国家研究院有限会司 项检测服务 共性技术与服务平台： 网联筑梦云平台已入网82家服务 企业、200多家用户、1340台设 备 ■六大板块 国家增材制造创新中心可孵化成果 ■高端装备一-增减材一体化、连续扫描SLM、CMT装备等 飞机大型件集成制造一一大飞机、通航飞机、无人机及其发动机 精准医疗一齿科正畸、骨科导板、手术模型文化创意一一首饰、仿古、家具/家居、城市雕塑建筑3D打印-一低层住宅、临时建筑 孵化前景：创建25个左右企业，年产值500亿，利税50亿元 ®西步交通大学众国家增材制造创新中心 增材制造（3D打印） 口3D打印简介 ■3D打印--工艺方法的大变革 AM=0：等材制造（铸锻焊）-3000年 AIE AM<0：减材制造（车铣磨）--300年t4 AM>0增材制造--40年 2013年麦肯锡报告列举12大颠覆技术中，3D打印名 列第九，排新材料和页岩气之前。预测2030年将达 到0.6-1.2万亿美元 3D打印技术的迅猛发展： 金属增材制造成为主流制造技术 ·主要工艺 激光熔化沉积（LMD）激光选区熔化(SLM)电子束选区熔化（EBM)电弧熔丝（WAAM) 优点： 缺点： 优点： 缺点： ·精度高 小型件 ·难熔金属 小型件 复杂结构 ·成本高 精度高 成本高 ·效率低 复杂结构 优点：缺点： ·成形梯度构件牛·变形大 ·修复再制造粉末利用率低 西季交通大学 国家增材制造创新中心 西安墙材制造国家研究院有限公司 NatfonaorationofAdditheManufingxIa 优点：缺点： ·尺寸大·精度低 效率高余量大 ·材料利用率高 ·成本低 增材制造是制造创新的引领性共性技术 口补中国制造短板，引领创新 ·产品快速开发一航空航天、汽车、IT ●产品的个性化定制一医疗 ·制造模式创新一个性化消费品，双创平台 创新产品结构一一体化集成，释放设计创新空间 ·控形控性创新一材料制造一体化 ·增量走向增材一多材料功能梯度，材料发挥最大效益 ·增材走向创材一引领材料科技创新 西孝交通大学众 ·创材走向创生一引领生命学科创新 国家增材制造创新中心 西安增材制造国家研究院有限公司 2.4技术发展趋势 口全球本领域技术发展重点：中国工程科技2035发展战略研究 太空3D打印技术仿生设计 生物3D打印技术+ + 4D智能材料、 5D打印人工器官技术 增材微纳3D打印技术 制造 超材料、功能梯度材料 3D打印 复合材料与复合结构 增材制造技术 大型复杂结构件 仓 增材制造技术 P11 技术发展趋势 口生物打印（5D打印）将使类生命体及器官再造成为可能 神经网络与类脑组织打印打印可降解/可活化乳腺植入物工程神经组织与人体的融合与乳腺组织的力学柔性匹配活性脑组织工程化构建探索材料降解与组织生长相匹配系统仿生 结构仿生 GrigoryonetalScience201g|364 打印可跳动的血管化心脏Scie464 ·微纳打印电传导纤维模拟电信号刺激网络 Leeetal.Science,2019,365,482-487 机理仿生 打印可呼吸的血管化肺泡 三维微血管网络的生物水凝胶打印血管流动与呼吸功能的关系 增材制造产业发展趋势 全球：预计2025年全球市场规模将达到298亿美元，2022-2025年增长率为18.3%；20252030年增长率预计达23.4%将达到853亿美 元 我国：2012-2022年，年复合增速为41.42% 2023年预计产业规模超400亿元。 从2015年到2025年，全球汽车行业的3D打 印收入将以34%复合增速增长 P13 增材制造产业分布 建筑领域，4.5%其他，12.6%航空航天， 16.8% 政府/军方， 6.0% 能6，7.0% 医疗/牙科 15.6% 学术科研，其他20.45% 11.1%汽车领域 消费及电子14.6% 产品，11.8% 打印服务 40.09% 原材料， 17.04% 装备，22.42% P14 3D打印走向三分天下 >增材制造未来可期--数万亿的GDP ●中国2019年GDP为99.09万亿元，制造业占比近30% ·增材制造将从技术概念上的三足鼎立走向价值分享的三分天下 制造数量单价总价值 增材增材 IncrementsIncrements 减材 ncrements减材 减材 Reductions ReductionsReductions 等材等材 EqualsEquals 众15 西季支通大学国家胜材制造创新中心 西安增村制造国家研究院有限公司 增材制造与汽车开发 基于增材制造的创新设计 口产品性能及需求驱动正向设计 口使用拓扑、形状、形貌优化、点阵结构设计、参数优化等创新设计技术口工艺设计与工艺仿真进行工艺优化，快速实现产品的创新设计与制造 客户需求增材制造先进设计 正向设计+3D 概念设计 详细设计增材制造 打印需求 功能需求拓扑优化点阵设计 新结构设计 再设计+3D打打印需求仿生设计后拓扑结构 印需求 （创成式设计）逆向工程 点库结构仿真分析 参数优化 不通过 检测与测试 3D打印需求通过！ 增材制造工艺设计性能验证最终产品 价值交付及工艺仿真 P17 拓扑优化 原始模型应力约束下的优化过程某接头减重85% 某承力结构件的拓扑优化APWorks的拓扑优化摩托车架 P18 点阵/栅格结构设计 用点阵/栅格结构代替零件实体结构，在实现轻量化的同时还可以改善其相关性能。不仅具有高的强度质量比或刚度质量比，同时还具有能量吸收、散热隔音等性能，是实现零件轻量化设计的一种新途径。 P19 一体化设计 GE公司的一体化燃油喷嘴一体式微型涡喷发动机 20个零件1个零件37个零件1个零件 一体化设计不仅实现了复杂多部件一体化，还能够有效减少连接结构（法兰、焊缝等），帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计，使得零部件最终达到 功能集成、数量减少、重量减轻、性能优化的目标。P20I 快速研发 口采用增材制造进行新产品的研发，可以显著降低制造成本和周期 复杂形状 制造周期长解决 金属3D打印 模具投入高非金属3D打印 EDAG在2014年IAA汽车展上整体车辆概念演示：增材制造、仿生优化结构 和随需成形 P21 关键部件制造 口关键构件采用仿生设计、拓扑优化等创新技术设计，并用增材制造，显著提高 部件及整机性能福特F-150皮卡车将歧管3D 打印成网状结构，重量为 6KG，5天就可打印完成 宝马3D打印铝合金的i8顶保时捷3D打印的活塞重量比ExtremeTuners公司3D打 棚支架，对比注塑支架重锻造批量生产的活塞轻10%，印碳纤维连杆，重量比钢轻 量轻44%，刚度10倍发动机输出功率提高30PS约90%，比铝轻约85% P22 吸能结构 口开展吸能结构的创新设计，并采用增材制造，可以显著提高吸能效果 泡沫点阵复合多孔材料波纹圆锥壳周期性三维点阵结构 波纹-折叠多级点阵结构，高吸能缓冲抗爆 P23 高性能减震结构 口基于增材制造技术的材料-结构优化，可以针对特殊环境设计减震装置 OKKXOX 德国Covestro采用增材制造的汽车减震器 晶格弹性超材料可用于低频振动吸收和跨尺度波导 P24 热交换器设计 口多种方法可以利用增材制造优势获得更高效的热交换器，最常见的是通过使用点阵晶格结构，针状鳍片和微通道来增加可用于热交换的表面。 conflux HIETA 增材制造HiETA换热器Conflux公司的热交换器 通过增材制造方法可以制造具有薄壁、复杂曲面特征的零部件与相比，在减轻零件重量、降低制造缺陷及提高热交换效率方面有很大优势。 P25 随形冷却模具 内流管道模具 增材制造技术使得随形冷却模具的设计和制造摆脱了传统制造中交叉钻孔的限制，使得内部通道更靠近模具的冷却表面，更小的流阻提高了冷却液的效率 此外，随形冷却水路还可以根据冷却要求进行不同的冷却回路设计，从而以一致 的速率进行散热，提高散热的均匀性。 P26 内流道管道设计 优化约束： 五个出口孔的流量达到给定值 优化目标： 入口压力最小中央传动壳体滑油油 道优化 优化后 流阻降低11.4% 增材制造非常适合复杂内流道零件的制造，降低重量、提高流动特性 P27 结构一体化 原装Euro6发动机摇臂 采用金属3D打印的雷诺卡车DTI5Euro6发动机3D打印制造的摇臂 原始机零件总数为850，金属3D打印发动机零件总数减少200多（减少25%），重 量从1155磅（525KG）降至880磅（400KG），并成功完成600小时试车 P28 备件及工装夹具 口增材制造是进行备件快速制造的最佳方法 戴姆勒客车中复杂的储物箱 StratasysFortus3D生产系统制 3D打印制造的夹具和支座沃尔沃卡车的3D打印备件造的在发动机组装期间的软管支架 P29 我们做的汽车开发 轻卡冷却模块 以提高性能和轻量化为目标，基于增材制造工艺特点，实现流阻降低 19.8%，重量降低15%，散热量提高约28% 优化前 优化后 P31 轻卡车架一体化设计 原车架模型 目标车架概念图 设计中车架 基于车架的载荷工况，设计一体化多功能结构，大幅减少车架的零部件数量及整体重量，并提高结构可靠性 验证装备---五轴联动增减材一体化应用于维柴发动机开发 P33 为中国重汽开发---车架用增减材一体化装备 P34 增材制造与航空航天 增材制造告（3D打印） 口再设计--3D打印可带来产品装备的颠覆性变革 1GE公司3D打印