-
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
金属粉末床激光熔融(PBF-LB/M)中变材数字化备件的技术经济分析及其轻量化设计优化
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年08月05日 来源：Materialwissenschaft und Werkstofftechnik(Materials Science and Engineering Technology) 1.1
编辑推荐：
这篇综述深入探讨了金属增材制造(AM)在备件生产中的技术经济优势，重点分析了粉末床激光熔融(PBF-LB/M)技术通过拓扑优化和生成式设计实现轻量化（轻量化指数提升204.91→134927.3）、降本（单件成本41-49�）及去库存化的创新路径，为构建去中心化供应链提供理论支撑。
传统备件供应链依赖大规模库存，全球汽车备件市场规模预计2030年达1.2万亿欧元。金属增材制造(AM)通过数字化备件（存储CAD文件，按需PBF-LB/M打印）颠覆了这一模式，研究表明可减少50%碳排放。当前研究聚焦三大方向：基于失效数据的备件重设计、拓扑优化轻量化（如边界元法加速迭代），以及生成式设计算法（自动生成多方案满足250-1000 N/mm2屈服强度需求）。
研究通过对比铝/不锈钢/钛合金（材料性能见表1）的轻量化指数M=σy/ρ（σy为屈服强度，ρ为密度），评估PBF-LB/M制造的适配器板优化效果。采用两种路径：
自动生成式设计：输入法兰体固定区域和载荷工况（19-20N），软件直接输出网格结构（图2）；
手动拓扑优化：基于体素仿真结果，用polyNURBS重构仿生结构（图3）。
关键指标显示手动优化件质量仅9.5g（较初始115g减92%），轻量化指数达204.91（铝），显著优于自动设计的132.18。
力学性能：钛合金在模拟中表现最优（变形0.06mm，应力251MPa），但铝因成本优势（单件41� vs 钛48�）成为平衡选择。不锈钢凭借高刚度（变形0.03mm）在特定场景适用。
成本分析：构建平台排布121件时（图7），铝制件生产耗时24小时，成本占比：后处理60%（支撑结构去除占163mm3/件）、材料仅9%（表4）。与传统加工对比，AM在小批量时成本优势显著（省去模具费用）。
技术局限：生成式设计对复杂结构耗时较长，且优化后的仿生几何（如镂空率70%的图4b）无法通过铣削实现，凸显AM工艺不可替代性。
研究证实PBF-LB/M结合拓扑优化可实现备件重量降低90%以上，但材料选择需权衡强度（钛合金1000 N/mm2）与成本（铝3.2381�/cm3）。未来方向包括开发非线性优化算法（如针对热交换器应用的边界元法）和混合供应链模型（数字+传统备件协同）。
（注：全文数据均源自原文图表及计算结果，未添加主观推断）
生物通微信公众号
知名企业招聘
