CN117881808A - 用于高强度和刚度应用的al-mg-si基近共晶合金组合物 - Google Patents
用于高强度和刚度应用的al-mg-si基近共晶合金组合物 Download PDFInfo
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Abstract
公开了合金材料和三维(3D)打印合金。根据本公开的一个方面的合金包含铝、镁和硅，其中所述合金的组成包含至少5重量％至20重量％的硅和至少7重量％至10重量％的镁。
Description
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.119，本公开要求2021年7月1日提交的标题为“AL-MG-SI BASEDNEAR-EUTECTIC ALLOY COMPOSITION FOR HIGH STRENGTH AND STIFFNESS APPLICATIONS”的美国临时专利申请No.63/217,749的权益，其通过整体引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及合金，更具体地涉及铝合金和铝合金结构。
背景技术
增材制造(AM)工艺涉及使用存储的几何模型在“构建板”上积累分层材料，以生产具有由模型定义的特征的三维(3D)物体。AM技术能够使用多种材料打印复杂的组件。3D物体基于计算机辅助设计(CAD)模型制造。AM工艺可以在没有额外工具的情况下直接从CAD模型制造实体3D物体。
AM工艺的一个实例是粉末床融合(PBF)，它使用激光、电子束或其他能量来源来烧结或熔化沉积在粉末床中的金属粉末，从而将粉末颗粒在目标区域凝聚在一起以产生具有所需几何形状的3D结构。可以在PBF中使用不同的材料或材料的组合，例如金属、塑料和陶瓷，以创建3D物体。其他更先进的AM技术，包括下面进一步讨论的那些，也是可用的或正在开发中，并且每一种都可以适用于本公开。
AM工艺的另一个实例为Binder Jet(BJ)工艺，该工艺使用粉末床(类似于PBF)，其中金属粉末分层散布并使用有机粘合剂粘合。所得部件是生坯部件，其需要烧掉粘合剂并烧结以将各层凝聚成全密度。金属粉末材料可以具有与PBF粉末相同的化学组成和相似的物理特性。
AM工艺的另一个实例被称为定向能量沉积(DED)。DED是一种AM技术，它使用激光、电子束、等离子体或其他能量供应方法，例如钨惰性气体(TIG)或金属惰性气体(MIG)焊接中的方法来熔化金属粉末或线材和棒材，从而将其转化为固体金属物体。与许多AM技术不同，DED不是基于粉末床。相反，DED使用进料喷嘴来推动粉末或机械进料系统将线材和棒材输送到激光束、电子束、等离子体束或其他能量流中。粉末状金属或线材和棒材随后被相应的能量束融合。虽然在一些情况下可以使用支撑物或自由形式的基材来维持正在构建的结构，但DED中几乎所有的原材料(粉末、线材和棒材)都转化为固体金属，因此几乎没有废粉末留下以再循环。使用逐层策略，由能量束或能量流和原材料进料系统组成的打印头可以扫描基材，以直接从CAD模型沉积连续的层。
PBF、BJ、DED和其他AM工艺可能使用各种原材料，例如金属粉末、线材和棒材。原材料可以由各种金属材料制成。金属材料可包括例如铝或铝合金。在AM工艺中使用具有改善功能的特性的铝合金可能是有利的。例如，颗粒形状、粉末尺寸、堆积密度、熔点、流动性、刚度、孔隙率、表面纹理、静电荷密度以及其他物理和化学特性可以影响铝合金作为AM用材料的性能。类似地，AM工艺的原材料可以是线材和棒材的形式，其化学组成和物理特性可以影响材料的性能。一些合金可以影响这些或其他特性的中一种或多种，这些特性影响AM用合金的性能。
可以在相关技术的背景下描述本公开的一个或多个方面。本文描述的任何方面都不应被解释为对现有技术的承认，除非本文明确说明。
发明内容
本文描述了一种或多种合金和合金组合物，以及制造和/或使用它们的方法的多个方面。例如，一种或多种合金或其组合物可以是铝合金。所述一种或多种合金可用于三维(3D)打印和/或增材制造以用所述一种或多种合金生产增材制造的结构。说明性地，合金可包括含有多种材料(例如元素、金属等)的组合物。
根据本公开的一个方面的合金包含铝(Al)、硅(Si)和镁(Mg)，其中所述合金的组成包含至少5重量％至20重量％的Si和至少7重量％至10重量％的Mg。这样的合金可以基本上由Al、Si和Mg组成。
这样的合金可以具有至少450兆帕(MPa)的屈服强度、至少4％的伸长率和/或合金的材料硬度在洛氏硬度(HRB)标度上至少为80。
这样的合金可以进一步任选地包括银、镍、锰、钙和/或锆中的至少一种。所述合金可包含0.1至0.45重量％的钙、2至3.5重量％的锆、或0.1至0.45重量％的钙和2至3.5重量％的锆。这样的合金可以进一步任选地通过增材制造工艺生产，该工艺可以包括至少1000摄氏度每秒的冷却速率并且可以包括激光-粉末床融合、电子束粉末床融合或定向能量沉积中的至少一种。所述合金可以是过共晶合金或亚共晶合金。
应当理解，根据以下具体实施方式，合金的其他方面对本领域技术人员来说将变得显而易见，其中仅通过说明的方式示出和描述了几个实施方案。本领域技术人员将意识到，所制造的结构和用于制造这些结构的方法能够有其他不同的实施方案，并且其若干细节能够在各种其他方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和具体实施方式应被视为本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
在附图中，通过示例而非限制的方式在具体实施方式中呈现可用于增材制造的合金的各个方面，例如在汽车、航空航天和/或其他工程环境中，其中：
图1A-1D示出了根据本公开的一个方面的3D打印机系统的各个侧视图。
图1E示出了根据本公开的一个方面的3D打印机系统的功能框图。
图2A-2C示出了根据本公开的一个方面的合金结构。
图2D示出了根据本公开的一个方面的合金组合物的三元图。
图3示出了根据本公开的一个方面的载具底盘。
图4示出了根据本公开的一个方面的载具底盘结构的透视图。
图5A示出了根据本公开的一个方面的外壁被移除的载具底盘结构的透视图。
图5B-D示出了根据本公开的一个方面的载具底盘结构的内部肋的透视图。
图6是示出了根据本公开的一个方面的示例结构的图。
图7是示出了根据本公开的一个方面的处于组装状态的示例结构的图。
图8是示出了根据本公开的一个方面的图7的示例结构的一部分的图。
图9是示出了根据本公开的一个方面的图7的示例结构的一部分的图。
图10是示出了根据本公开的一个方面的图7的示例结构的一部分的图。
图11A示出了根据本公开的一个方面的使用蜂窝网格芯部的示例性板件的透视图。
图11B示出了根据本公开的一个方面的使用定制优化芯部的另一个示例性板件的透视图。
图12A-B示出了根据本公开的一个方面的示例性载具底部构造。
图13示出了根据本公开的一个方面的各种示例性孔材料特征的概念图。
图14示出了根据本公开的一个方面的分解成定义节点的示例性载具。
图15A-C示出了根据本公开的一个方面的不同混合动力/ICE载具的示例，这些载具的内部容积要求可根据用于容纳特定载具的封装容积而不同。
图16示出了根据本公开的一个方面的联接到载具的右侧乘客部段中的相邻部件的定义节点(虚线)的透视截面图。
图17示出了根据本公开的一个方面的四个示例性产品组合。
图18示出了根据本公开的一个方面的联接到载具的轮的定义节点的示例性构造。
图19是根据本公开的一个方面的结构的侧视图，该结构包括具有连接特征的常规制造部件和具有互补连接特征的接口节点。
图20是根据本公开的一个方面的接口节点的透视图，该接口节点使用接口节点上的公连接特征联接到发动机缸体。
图21A是根据本公开的一个方面的链接节点的透视图，该链接节点被配置成联接到两个接口节点，该接口节点被组装用于联接到相应的跨越部件，作为形成例如底盘的结构的基础。
图21B是根据本公开的一个方面的图21A的上接口节点的正截面图，示出了与跨越部件和链接节点的相应连接。
图21C是根据本公开的一个方面的链接节点的透视图，该链接节点经由接口节点联接到碳纤维管，并且使用隔离联接耦合到高产量制造部件。
图22A是根据本发明的一个方面的联接到接口节点的铸造钟形壳体的透视图，该铸造钟形壳体被配置成从发动机缸体散发热能。
图22B示出了根据本公开的一个方面的联接到铸造变速箱端部的接口节点的透视图。
图23示出了根据本公开的一个方面的增材制造的微管热交换器的侧视图。
图24示出了根据本公开的一个方面的微管阵列的截面图。
图25示出了根据本公开的一个方面的微管阵列的侧面透视图。
图26A示出了根据本公开的一个方面的微管的侧面透视图。
图26B示出了根据本公开的一个方面的微管的截面图。
图27示出了根据本公开的一个方面的载具增材制造(AM)的透视图。
图28示出了根据本公开的一个方面的增材制造有外骨骼框架的并且具有用于显示内部结构的透明和剖面部分的载具的侧视图。
图29示出了在本公开的一个方面中来自图28的载具的外骨骼框架的轮廓(contoured)夹层板件的侧面截面图。
图30示出了在本公开的一个方面中具有用于安装具有外部接口的部件的腔的AM框架的透视图。
图31是示出了根据本公开的一个方面的AM框架的另一个透视图。
图32示出了根据本公开的一个方面的AM载具的侧视图，该AM载具具有结构性外部夹层表层，通过消除对外部框架导轨的需要而能够改善空气动力学。
图33示出了根据本公开的一个方面的用于与运输结构的AM框架组装的以Voronoi图案成形的板件。
图34示出了根据本公开的一个方面的具有以多个Voronoi图案为特征的防撞缓冲区的AM载具的侧视图。
图35示出了根据本公开的一个方面的包括连接节点和部件的设备的实施方案。
图36示出了根据本公开的一个方面的包括连接节点和部件的设备的实施方案。
图37示出了根据本公开的一个方面的具有接合节点和部件的设备的实施方案。
图38示出了根据本公开的一个方面的具有可拆卸的粘合剂混合器的部件。
图39示出了根据本公开的一个方面的具有燕尾接合部的设备的实施方案。
图40示出了根据本公开的一个方面的具有向外凸起的插口的设备的实施方案。
图41示出了根据本公开的一个方面的具有一对节点的设备的实施方案。
图42示出了根据本公开的一个方面的3D打印部件，包括本体结构、上控制臂、下控制臂和3D打印铝组件的其他部分。
图43示出了根据本公开的一个方面的控制臂在两个不同位置之间移动的示意图，该控制臂使用几何上不同的标称间隙来实现不同的物理特性。
图44示出了根据本公开的一个方面的短长臂(SLA)悬架几何结构，其中电动机安装到下控制臂的枢轴处。
图45示出了根据本公开的一个方面的McPherson支柱型悬架的示例，该悬架与安装到下控制臂的枢转点处的电动机相联接。
图46A-C示出了根据本公开的一个方面的具有以不同配置安装的电动机的载具的不同实施方案。
图47示出了根据本公开的一个方面的用于头部冲击保护的增材制造结构内饰件。
图48示出了根据本公开的一个方面的增材制造结构内饰件，其具有为了空气动力学、美学和行人保护而添加的外部板件。
图49是根据本公开的一个方面的组装到载具框架中的增材制造仪表板的透视图。
图50是根据本公开的一个方面的3D打印仪表板的透视图。
图51是根据本公开的一个方面的具有沿着载具中心定位的氢燃料箱的载具的平面图。
图52是根据本公开的一个方面的底部碰撞结构的平面图。
图53是根据本公开的一个方面的载具封装的后截面视图。
图54是根据本公开的一个方面的3D打印骨架燃料箱的后截面图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的具体实施方式旨在提供对铝合金的各种示例性实施方案的描述，并不旨在代表可以实施本公开的仅有实施方案。本公开中通篇使用的术语“示例性”表示“用作示例、实例或说明”，并且不必解释为优选于或优于本公开中呈现的其他实施方案。出于提供向本领域普通技术人员充分传达本公开的范围的彻底和完整公开的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的技术和方法。在一些情况下，众所周知的结构和部件可以以框图形式示出，或者完全省略，以便避免模糊贯穿本公开所给出的各种概念。
金属合金，例如铝合金，经常用于各种工程应用，例如汽车和航空航天。在许多应用中，这些工程应用可以受益于提供高性能和可持续性的合金。此外，经济的合金可能更有利，例如，当包括稀有元素和/或昂贵元素的合金对于相对大规模和/或商业应用可能是不切实际时。
虽然存在满足上述条件的一些合金，但这些现有合金大多不适合增材制造(AM)应用，例如选择性激光熔化(SLM)和/或粉末床融合(PBF)。例如，使用通常用于传统制造(即，非AM制造)的合金的AM工艺可导致这些合金的不可接受的微观结构和/或其他特性(例如，导致有缺陷和/或不安全的产品)。
例如，与传统制造工艺相比，AM工艺可包括小的熔池和/或合金从液态到固态的高的冷却速率。因此，AM工艺中使用的合金可预期发展出微观结构和/或其他特性(例如，通过相对小的熔池和/或相对高的冷却速率)，从而产生高的强度、延展性、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性和/或高温强度，因此产生令人满意的产品。
鉴于上述情况，在各种汽车、航空航天和/或其他工程应用中，存在对用于AM的高性能且经济可行的合金的需求。本公开描述了可以在AM工艺中实施的合金，例如SLM、PBF、DED等。以这种方式，例如，可以生产本公开中公开的合金的增材制造结构。本公开的合金可为汽车、航空航天和/或其他工程应用中的AM提供改进的性能。合金可在AM环境中产生改进的性能，例如高强度(例如屈服强度)、延展性、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、高温强度、伸长率和/或其任何组合中的一种或多种。此外，本公开的合金的应用在经济上是可行的，例如，在汽车、航空航天和/或其他工程应用中的AM的商业环境和/或生产规模中。
AlSi10Mg(AA 4046)是一种铝合金，可用于增材制造(AM)技术，例如选择性激光熔化(SLM)和/或粉末床融合(PBF)。然而，AA 4046主要是用于接合汽车铝部件的焊接合金。通过增材制造加工时，这种合金的强度适中，但延展性差。AA 4046在熔池大、冷却速率相对慢的情况下具有良好的焊接性能。此外，AA 4046可用于接头设计可以承受较差性能的情况。例如，与空气中部件的性能相比，一些环境可能由于腐蚀环境而导致部件疲劳寿命降低。疲劳寿命的降低可被称为击倒因素(knockdown factor)。然而，在AM中，整个部件是用微焊缝构建的，具有极小的熔池和快速的熔化和冷却。
因此，对于AM，应该很少或没有通过设计击倒进行妥协。AA 4046的性能改进受到了极高的关注，导致了大量研究，但对于需要高性能和可靠性的工程应用没有显著的性能改进。尽管如此，AA 4046经测试的机械性能可能不如通常用于高强度应用的锻造和铸造形式的那些。此外，一些铝合金在AM中的商业应用是不可获得的和/或不切实际的，例如6000和7000系列的铝合金。
已经开发出一些高性能铝合金，它们可以不同于AA 4046、6000和7000系列铝合金和/或其他市售铝合金。这样的高性能合金可以包括和A205。然而，包括和A205的各种高性能铝合金的应用在AM环境中可能在经济上受到限制。
鉴于上述情况，在各种汽车、航空航天和/或其他工程应用中，存在对用于AM的高性能且经济可行的合金的需求。本公开描述了可以在AM工艺中实施的合金，例如SLM、PBF、DED等。以这种方式，例如，可以生产本公开中公开的合金的增材制造结构。本公开的合金可为汽车、航空航天和/或其他工程应用中的AM提供改进的性能。合金可在AM环境中产生改进的性能，例如高强度(例如屈服强度)、延展性、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、高温强度、伸长率和/或其任何组合中的一种或多种。此外，本公开的合金的应用在经济上是可行的，例如，在汽车、航空航天和/或其他工程应用中的AM的商业环境和/或生产规模中。
一方面，描述了高性能铝合金。耐撞性取决于构成材料碰撞性能的抗拉、剪切和压缩强度的组合。各种行业(例如汽车)在设计和工程化采用这种材料的结构时，使用该分析和实验数据。
用常规技术(例如非AM工艺)加工的高性能铝合金可以通过以下工艺之一或组合获得各种性能：固溶强化、应变硬化、沉淀强化和/或分散强化。固溶强化、应变硬化、沉淀强化、晶粒或相界强化和/或分散强化的过程可以在固结、随后的热处理、中间冷加工或它们的一些组合期间发生。
AM中的固结过程和随后的固态冷却可以不同于通过传统技术发生的过程。例如，PBF加工中的固结发生在微观尺度上，逐层进行，其中每一层都经历一次或多次熔化、固结和冷却循环。在这样的过程中，熔化可以在约610℃开始并且可以在约696℃结束。由于熔池尺寸小，冷却速率相对于传统技术非常高(例如，冷却速率可以是约103℃/秒(s)至约106℃/s)。因此，非平衡热力学和相变动力学可成为AM过程中的主要驱动因素，从而使合金表现出与AM不同的性能，例如通过继承元素过饱和和合金分配。
并非所有合金(例如，AA 4046等)都适合通过AM快速固结，这可能包括相对小的焊池(并且可能包括约1000摄氏度每秒(103℃/s)至约100万摄氏度每秒(106℃/s)的冷却速率)。本公开描述了利用AM可以提供高性能的合金，例如，与当前可用的合金相比。在印刷状态下，例如在经历热处理之后(AM后)，或者在印刷状态下和在经历热处理之后两者的某种组合的情况下，本公开的这些合金的性能可以得到改善。
在一种示例性配置中，本公开的一种或多种合金可被定制用于优异的强化，其中所述一种或多种合金在室温和高温下将具有高极限强度和抗拉强度。在另一种示例性配置中，本公开的一种或多种合金可被设计用于优异的延展性，其中所述一种或多种合金在室温和高温下将具有高伸长率。
普通AA 4046的标称化学组成包括11％的硅(Si)、0.55％的铁(Fe)、0.45％的锰(Mn)、0.45％的镁(Mg)，和余量铝(Al)。AA 4046的打印抗拉性能为至高6％的伸长率、至高301兆帕(MPa)的屈服强度和至高459MPa的极限抗拉强度。高性能铝合金(例如)的标称化学组成为4.5％Mg、0.7％钪(Sc)、0.3％锆(Zr)、0.5％Mn，其热处理后的性能为至高13％的伸长率、至高469MPa的屈服强度和至高495MPa的极限抗拉强度。然而，上述高性能铝合金对于生产规模和/或商业消费应用(例如汽车应用)在经济上是不可行的。
根据一些配置，本公开的一种或多种合金可以被配置为具有超过一些现有铝合金(例如AA4046)的伸长率。虽然AA4046的宣称和测试的伸长率分别为约6％和4％，但本公开的一种或多种合金的伸长率可以为约8％。因此，本文所述的一种或多种合金可超过常规AA4046的伸长率约2％，例如在打印状态下。后处理技术，例如热处理和/或表面(喷丸)强化，可以进一步提高本文所述的一种或多种合金的伸长率。例如，热处理可包括在约100℃至约400℃之间的温度下处理如本文所述的铝合金约30分钟至约30小时的时间。
图1A-D图示了示例性3D打印机系统的相应侧视图。
在该实例中，3D打印机系统是粉末床融合(PBF)系统100。图1A-D示出了不同操作阶段期间的PBF系统100。图1A-D中所示的特定实施方案是采用本公开的原理的PBF系统的许多合适示例中的一个。还应当注意的是，本公开中的图1A-D和其他附图的元素不一定按比例绘制，但为了更好地说明本文描述的概念的目的，可以绘制得较大或较小。
PBF系统100可以是电子束PBF系统100、激光PBF系统100或其他类型的PBF系统100。此外，可以采用其他类型的3D打印，例如定向能量沉积、选择性激光熔化、粘合剂喷射等，而不脱离本公开的范围。
PBF系统100可包括可沉积每层金属粉末的沉积器101、可产生能量束的能量束源103、可施加能量束以融合粉末材料的偏转器105、以及可以支撑一个或多个构建件(例如构建件109)的构建板107。尽管术语“融合(fuse)”和/或“融合(fusing)”用于描述粉末颗粒的机械联接，但是其它机械作用，例如烧结、熔化和/或其它电气、机械、机电、电化学和/或化学联接方法也被认为在本公开的范围内。
PBF系统100还可以包括定位在粉末床容器内的构建底板111。粉末床容器的粉末床容器壁112通常限定粉末床容器的边界，粉末床容器从侧面夹在粉末床容器壁112之间并在下方邻接构建底板111的一部分。构建底板111可以逐渐降低构建板107，使得沉积器101可以沉积下一层。整个机构可位于在腔室113中，该腔室313可封闭其它部件，从而保护设备，实现大气和温度调节并减轻污染风险。沉积器101可包括容纳粉末117(例如金属粉末)的料斗115以及可以使每层沉积的粉末的顶部平齐的整平器119。
AM工艺可以使用各种金属粉末，例如本公开的一种或多种合金。图1A-1D中所示的具体实施方案是采用本公开的原理的PBF系统的一些合适示例。具体地，本文所述的一种或多种合金(可以说铝合金)可用于图1A-D中所述的至少一种PBF系统100。虽然本公开中描述的一种或多种合金可能适用于各种AM工艺(例如，使用PBF系统，如图1A-D所示)，但应当理解，本公开的一种或多种合金可以也适用于其他应用。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所述的一种或多种合金可用于其他制造场合或领域。因此，采用本公开的所述一种或多种合金的AM工艺被认为是说明性的，并不旨在限制本公开的范围。
在用于PBF系统100之前，可以将合金元素(其可以说铝合金)组合成根据本文描述的示例/配置之一的组合物。例如，当元素熔化时，可以组合本公开的示例/配置之一中描述的各个浓度的元素。可以在元素熔化的同时混合组合物，例如以促进各元素与余量基体材料(其可以是铝)的均匀分布。可以将熔化的组合物冷却和雾化。组合物的雾化可以产生包括本公开的示例/配置之一的元素的金属粉末，并且可以用于增材制造系统，例如PBF系统100。具体参考图1A，该图示出了在构建件109的切片已经融合之后但在已经沉积下一层粉末之前的PBF系统100。实际上，图1A示出了PBF系统100已经沉积并融合多层(例如150层)切片以形成例如由150个切片形成的构建件109的当前状态的时间。已经沉积的多个层形成了粉末床121，其包括已沉积但未融合的粉末。
图1B示出了处于构建底板111可以降低粉末层厚度123的阶段的PBF系统100。构建底板111的降低导致构建件109和粉末床121下降粉末层厚度123，使得构建件和粉末床的顶部低于粉末床容器壁112顶部的量等于粉末层厚度。例如，这样可以在构建件109和粉末床121的顶部上方创建具有等于粉末层厚度123的一致厚度的空间。
图1C示出了PBF系统100所处的一个阶段，其中沉积器101被定位成将粉末117沉积在构建件109和粉末床121的顶表面上方形成的并由粉末床容器壁112界定的空间中。在该示例中，沉积器101在限定的空间上逐渐移动，同时从料斗115释放粉末117。整平器119可以整平释放的粉末以形成粉末层126，其厚度基本上等于粉末层厚度123(参见图1B)。因此，PBF系统中的粉末可由粉末材料支撑结构支撑，该粉末材料支撑结构可包括例如构建板107、构建底板111、构建件109、粉末床容器壁112等。应当注意，所示的粉末层125的厚度(即粉末层厚度123(图1B))大于用于上面参考图1A讨论的涉及150个预先沉积的层的示例的实际厚度。
图1D示出了PBF系统100所处的一个阶段，其中在粉末层125沉积之后(图1C)，能量束源103生成能量束127并且偏转器105施加能量束以在构建件109中熔融下一个切片。在各种示例性实施方案中，能量束源103可以是电子束源，在该情况下能量束127构成电子束。偏转器105可包括偏转板，所述偏转板可以生成选择性地偏转电子束的电场或磁场，以使电子束扫描指定要融合的整个区域。在多个实施方案中，能量束源103可以是激光器，在该情况下能量束127是激光束。偏转器105可以包括使用反射和/或折射来操纵激光束以扫描待融合的选定区域的光学系统。
在各种实施方案中，偏转器105可包括可旋转和/或平移能量束源以定位能量束的一个或多个万向节和致动器。在各种实施方案中，能量束源103和/或偏转器105可以调节能量束，例如当偏转器扫描时使能量束打开和关闭，使得能量束仅施加在粉末层的适当区域中。例如，在各种实施方案中，能量束可以由数字信号处理器(DSP)调节。
图1E示出了根据本公开的一个方面的3D打印机系统的功能框图。
在本公开的一个方面，包括计算机软件的控制装置和/或元件可以联接到PBF系统100以控制PBF系统100内的一个或多个构件。这样的装置可以是计算机150，其可以包括可以帮助控制PBF系统100的一个或多个构件。计算机150可以经由一个或多个接口151与PBF系统100和/或其他AM系统通信。计算机150和/或接口151是可以被配置为实现本文所述的各种方法的装置的示例，其可以帮助控制PBF系统100和/或其他AM系统。
在本公开的一个方面，计算机150可以包括至少一个处理器152、存储器154、信号检测器156、数字信号处理器(DSP)158和一个或多个用户接口160。计算机150可以在不脱离本公开范围的情况下包括附加构件。
处理器152可以帮助PBF系统100的控制和/或操作。处理器152也可以被称为中央处理单元(CPU)。可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)的存储器154可以向处理器152提供指令和/或数据。存储器154的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(NVRAM)。处理器152通常基于存储在存储器154内的程序指令执行逻辑和算术运算。存储器154中的指令可以是可执行的(例如，由处理器152执行)，以实现本文描述的方法。
处理器152可以包括或是用一个或多个处理器实现的处理系统的构件。该一个或多个处理器可以用通用微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、浮点门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、控制器、状态机、门控逻辑、离散硬件组件、专用硬件有限状态机的任何组合、或者可以执行信息的计算或其他操作的任何其他合适的实体来实现。
处理器152还可以包括用于存储软件的机器可读介质。软件应广义地解释为任何类型的指令，无论是指软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其他。指令可以包括代码(例如，源代码格式的、二进制代码格式的、可执行代码格式的、RS-274指令(G-代码)、数控(NC)编程语言和/或任何其他合适的代码格式的)。指令当由一个或多个处理器执行时，使处理系统执行本文所述的各种功能。
信号检测器156可用于检测和量化由计算机150接收的任何电平的信号，以供处理器152和/或计算机150的其他构件使用。信号检测器156可以检测例如能量束源103的功率、偏转器105的位置、构件底板111的高度、沉积器101中剩余粉末117的量、整平器119的位置和其他信号的信号。DSP 158可用于处理由计算机150接收的信号。DSP 158可以被配置为生成指令和/或指令分组以用于传输到PBF系统100。
用户接口160可以包括键盘、定点设备和/或显示器。用户接口160可以包括向计算机150的用户传达信息和/或从用户接收输入的任何元件或构件。
计算机150的各种构件可以通过接口151联接在一起，接口151可以包括例如总线系统。接口151可以包括例如数据总线，以及除了数据总线之外的电源总线、控制信号总线和状态信号总线。计算机150的构件可以耦合在一起，或者使用一些其他机制来接受输入或向彼此提供输入。
尽管图1E中示出了许多单独的构件，但一个或多个构件可以组合或共同实现。例如，处理器152不仅可以用于实现本文关于处理器152描述的功能，还可以用于实现本文关于信号检测器156、DSP 158和/或用户接口160描述的功能。此外，图1E所示的每个构件可以使用多个单独的元件来实现。
合金结构
图2A和2B示出了根据本公开的一个方面的合金结构。
图2A示出了合金结构200，合金结构200中包括基体材料原子和溶质204原子。在本公开的一个方面，合金结构200可以具有基体材料的基本结构，例如，其可以是晶体类型或周期性结构，例如立方结构，即基体材料的原子位于立方体的每个角，面心立方结构，即基体材料的原子位于立方体的角和至少一个面，等等。例如，作为基体材料，铝(Al)金属以面心立方(fcc)结构排列，钛以体心立方(bcc)结构或六方密堆积(hcp)结构排列，等等。如图2A所示，基体材料202的原子可以分层排列，例如基体材料层208，其可以包括一个或多个替代溶质204的原子。
在图2A中，合金结构200的基体材料结构显示为立方结构，然而，在不脱离本公开范围的情况下，关于合金结构200描述的原理可以应用于任何基体材料结构布置。在图2A中，在合金结构200内的一些位置，基体材料202被溶质204置换。采用置换方法时，合金可被称为“替代式合金”，因为溶质204在合金结构200的基体材料结构内替代基体材料202。在本公开的一个方面，溶质204可以是一种或多种不同的原子和/或化合物，其作为基体材料202的替代式置换物。例如，但不限于此，基体材料202可以是铁(Fe)，溶质204可以是镍(Ni)、铬(Cr)和/或锡(Sn)中的一种或多种。当溶质204的原子尺寸与基体材料202近似相同时，可形成替代式合金。
在图2B中，合金结构210包括立方结构内的基体材料212，类似于图2A中所示的基体材料结构。类似于图2A，在不脱离本公开的范围的情况下，关于合金结构210描述的原理可以应用于任何基体材料结构布置。合金结构210还包括溶质214。溶质214被包括在合金结构210中除基体材料212以外的位置，即合金结构210的基体材料结构内的间隙位置。在本公开的这样的方面，这样的向基体材料212添加添加剂的合金可被称为“填隙式合金”，因为溶质214在合金结构210的基体材料结构内的填隙位置成为结构的一部分。在这样的方面，溶质214可以是一种或多种不同的原子和/或化合物，其作为间隙式插入物进入合金结构210的基体材料结构中。例如，但不限于此，基体材料212可以是铝(Al)，溶质214可以是镁(Mg)、锆(Zr)和/或锰(Mn)中的一种或多种。当溶质214的原子尺寸小于基体材料212时，可形成间隙式合金。如图2B所示，基体材料212的原子可以分层排列，例如基体材料层218，其可以包括穿插在层之间的一个或多个间隙式溶质214的原子。
图2C示出了组合合金的示例，其合金结构220可以包括基体材料222、间隙式溶质224和替代式溶质226。如图2C所示，基体材料222的原子可以分层排列，例如基体材料层228，其可以包括一个或多个替代式溶质204的原子并穿插有一个或多个间隙式溶质224的原子。
本公开的方面可以包括替代式合金、间隙式合金以及在给定合金中替代式/间隙式溶质的组合的组合合金。此外，在不脱离本公开范围的情况下，基体材料(例如基体材料202、212和222)可以包括一种或多种元素，例如，基体材料可以是多种两种材料，例如铜(Cu)和锌(Zn)。尽管在基体材料中使用“基体”可以意味着基体材料是合金组成的主要部分，但在本公开的许多方面，这种含义不一定是如此。在各种实施方案中，基体材料可以表示合金的基本结构，因为不同的材料具有不同的原子排列，例如fcc、bcc、立方、hcp等。
在本公开的一个方面，溶质可以包含在基体材料中，以改变基体材料表现出的一种或多种性质。例如，但不限于此，碳(C)可以添加到Fe中以增加强度并减少氧化。换句话说，溶质可以作为杂质添加到基体材料中，以改变基体材料结构中原子间键的特性。
在许多材料和合金中，有多个基本特性决定了该材料/合金对于给定应用的适用性。例如，但不限于此，强度、耐热性和延展性是某些应用中可能感兴趣的三个特性。
如图2A-C所示，可以包括基体材料和溶质的合金结构可以根据其基本的原子排列(例如fcc、bcc、hcp等)进行分类。合金结构可以用多种方法制造，但它们主要是通过将基体材料与溶质(例如，替代式和/或间隙式)以各种比率和/或百分比混合在一起而形成的。这可以通过将各种组分熔炼和/或熔化成均匀的液体并使液体冷却成固体形式来实现。
所得合金结构，无论是间隙式的、替代式的、多晶的、非晶的还是各种组合，都为合金的性能提供了与纯形式的基体材料的性能不同的值。例如，金(Au)与银(Ag)的合金化使得所得合金更硬，即，所得Au和Ag的合金比纯Au具有更高的抗拉强度。纯的基体材料结构可能表现出降低的强度的另一个原因是相同元素的原子之间的共价键和/或离子键是受限的。由于合金含有原子尺寸的混合物和各种价电子，因为合金结构中的一些原子可以具有稍微不同的尺寸和/或不同的局部电特性，所以基体材料布置中的层(例如基体材料层208、218和228)更难以相对于彼此移动，因为原子的布置不再均匀，并且相邻原子之间的局部键强度可能增加。合金强度的这种增加可能是由于替代式溶质尺寸的微小差异、包括间隙式溶质和/或其他原因。
金属的强化机制
如结合图2A-C的描述所见，可以有多种方式来增加基体材料的强度。给定材料的“强度”也可以用多种方式描述。使材料断裂所需的力的大小通常被称为材料的“抗拉强度”或“极限抗拉强度”，而使材料永久弯曲或变形所需的力的大小可以被称为材料的“屈服强度”。多种机制可能负责增加给定材料的抗拉强度和/或屈服强度。合金中的这样的机制可以包括例如通过引入替代式溶质、间隙式溶质或替代式溶质和间隙式溶质的组合，改变合金结构中基体材料层之间的“平滑度”。溶质的引入可以在合金结构内产生不均匀的区域，并可被称为合金内的“位错”。
位错可以在合金结构中引入不同的吸引力和/或排斥力，称为应力场。这在合金结构内的力之间产生局部差异，称为“钉扎点”，其阻止该钉扎点附近的结构的一个或多个基体材料层的运动。
相对于纯形式的基体材料结构，增加合金结构每单位体积的位错数量通常会增加合金的抗拉强度和/或屈服强度。然而，在某一点以上(该点对于每种基体材料可能不同)增加的位错密度将开始降低合金的抗拉强度和/或屈服强度。如果吸引力和/或排斥力的局部差异变得足够广泛，则它可以减少和/或消除基体材料的吸引力和/或排斥力对合金的整体强度确定的任何贡献，或者它可以导致合金结构改变形式，形成合金结构中原子的不同基本排列(例如，从fcc到bcc等)。
因此，将位错密度增加到一定程度会增加一个基体材料层相对于另一个基体材料层移动所需的剪切力。这是因为将需要额外的剪切力来移动层内的位错，以及移动那些基体材料层中的基体材料所需的力。移动位错所需的剪切力的增加表现为合金中抗拉强度和/或屈服强度的增加。
然而，增加基体材料的强度可以降低当基体材料处于纯形式时基体材料表现出的其它性能。例如，但不限于此，增加强度可以降低基体材料的可锻性(malleability)。众所周知，越坚固的材料越难弯曲或凹陷。材料的可锻性和/或伸长能力通常被称为材料的“延展性(ductility)”。改变材料的强度，即材料抵抗力的能力，通常也改变材料的“可加工性”，即通过材料变形而不是材料断裂来吸收力的能力。尽管本文的许多讨论涉及强化材料，但是在本公开的一个方面，可以改进给定合金的强度而不对合金的延展性造成显著影响。
加工硬化
纯基体材料的典型结构可以是规则的、几乎无缺陷的晶格。为了通过“加工硬化”来硬化材料，通过成形或以其它方式“加工”材料来将位错引入基体材料中。这些位错可以在材料中产生应力场的局部波动，这稍微重排了基体材料的结构。
基体材料的加工硬化可以通过向基体材料施加机械和/或热应力来实现。例如，可以对一片Cu进行锤打、拉伸或穿过加压辊以减小材料厚度。这些机械应力将位错引入Cu结构(面心立方)。Cu的这种形成增加了硬度(强度)并降低了弹性(通常称为"延展性")。类似的硬化可以通过热循环来实现，例如加热和冷却材料，例如用熔炉和铁的淬火来“回火”材料。
如本文所述，如果“加工”基体材料持续超过某一点，则基体材料将含有过大浓度的位错，这可能导致断裂，例如微断裂和/或可见断裂。这样的断裂可以是可逆的，例如，通过在基体材料加工期间和/或之后对材料进行一次或多次加热和冷却循环。以这样的方式加热和冷却材料可以被称为“退火”基体材料。
可以在基体材料上进行加工硬化而不引入替代式和/或间隙式溶质来形成合金。加工硬化也可以在包含溶质和基体材料的合金上进行。
固溶强化
在本公开的一个方面，可以将替代式和/或间隙式溶质添加到基体材料中，这可以导致合金结构中的替代式和/或间隙式点缺陷。溶质原子可以导致合金结构中的晶格畸变，其阻碍位错运动。当位错运动受阻时，材料的强度增加。这种强化基体材料的特殊机制可以被称为“固溶强化”
在固溶强化中，溶质原子的存在可以向合金结构晶格引入压应力或拉应力，其可以与附近的位错相互作用，导致溶质原子充当结构层相对于彼此移动的潜在障碍。这些相互作用可以增加给定合金的抗拉强度和/或屈服强度。
固溶强化通常取决于合金结构中存在的溶质原子的浓度。当确定在给定合金中包括哪种特定元素时，可以考虑的替代式和/或间隙式溶质原子的一些物理性质可以是溶质原子的剪切模量、溶质原子的物理尺寸、溶质原子的价电子数(也称为“化合价”)、溶质应力场的对称性以及其他性质。
沉淀硬化
随着熔融金属合金冷却，基体材料原子可以与溶质(或其他杂质)形成分子和/或直接形成，而不是与其他基体材料原子形成键。基体材料和溶质或杂质之间形成的分子/键将可能产生与纯基体材料结构和/或纯溶质结构不同的局部性质。这些性质之一可以是分子的熔点，其可以不同于纯基体材料和/或纯溶质的熔点。
在本公开的一个方面，分子可以在比纯基体材料和/或纯溶质更高的温度下硬化，这可以在合金结构中产生位错。这些位错可在合金结构内产生亚结构，可称为合金结构的不同"相"。因为合金结构内不同尺寸的分子可以使基体材料层在合金结构内相对于彼此移动更加困难，所以这些分子可以有助于产生更坚固的合金。
这种分子性质的变化可被称为“固溶度”相对于温度的变化，当其影响所得合金的强度时，可被称为“沉淀硬化”机制。因为合金中包含的元素的熔点可能不同，所以沉淀硬化(也称为“沉淀强化”)可能取决于温度。
沉淀硬化利用固体溶解度相对于温度的这些变化来产生杂质相或“第二相”的细颗粒，例如本文所述的分子，其阻碍位错的运动。这些组成第二相沉淀物的颗粒以类似的方式充当钉扎点。
颗粒的尺寸可以与基体材料相似或一致。如果颗粒和基体材料的尺寸足够相似，则合金结构可以保持相对一致，例如，可以保持bcc或立方体形式。然而，在合金结构的局部区域，基体材料层中可存在弯曲和/或凹陷。这种机制可称为合金结构的“共格硬化”，其类似于固溶硬化。
当颗粒对剪切应力的响应不同于基体材料时，这种差异可改变合金结构中的张力和/或内应力。这种对剪切应力的响应称为“剪切模量”切并且因为颗粒可以承受不同量的应力，所以合金结构可以承受的应力总量可以增加。沉淀硬化的这种机制可称为合金结构的“模量硬化”。
其他类型的沉淀硬化可以是化学强化和/或有序强化，它们分别是合金结构内颗粒的表面能和/或有序结构的变化。在本公开的一个方面，这些机制中的任何一种或多种可以作为合金中沉淀硬化的一部分而存在。
弥散强化
类似于沉淀硬化，分子性质的变化，在合金结构内分散不同的颗粒、分子和/或溶质，这些颗粒、分子和/或溶质的尺寸不同于基体材料，可在合金结构内产生位错。尽管这些颗粒可能比用于沉淀硬化的颗粒大，但是降低基体材料层相对于彼此移动的能力的机制是相似的。这种机制可称为“弥散强化”，以区别于沉淀硬化。一种类型的弥散强化是在合金结构中引入基体材料的氧化物。
晶界强化
在本公开的一个方面，合金结构的晶胞，例如fcc、bcc或立方结构等的一个立方体，可称为合金结构中的“晶粒”或“微晶”。溶质可以通过改变合金结构内的平均晶粒尺寸来影响合金结构。当合金结构中的晶粒具有不同的尺寸时，相邻晶粒之间的界面(称为“晶界”)在合金结构中充当位错。晶界作为位错运动的边界，并且晶粒内的任何位错都影响相邻晶粒中应力的积累或释放。
这种机制可称为合金中基体材料的“晶界强化”。在本公开的一个方面，合金结构中的晶粒可以具有不同的晶体取向，例如bcc、fcc、立方等。这些不同的取向和尺寸在合金结构中产生晶界。当合金结构受到外部应力时，基体材料层之间可发生滑移。然而，晶界充当基体材料层之间的滑移的阻碍，因为基体材料层不具有可发生滑移的均匀、平坦的表面。
相变强化
如本文关于沉淀硬化所述，根据冷却速率、冷却温度和/或其他因素，基体材料可以冷却成不同的“相”。例如，钛(Ti)可以形成两种不同类型的晶粒，称为α以钛和β和钛。当熔融钛金属在低温下结晶时，形成α。钛，并形成hcp晶格结构。当熔融钛在较高温度下结晶时，形成β度钛，并形成bcc晶格结构。整个合金结构中的这些不同结构产生了更强的合金，因为基体材料层彼此之间的光滑界面被基体材料和/或溶质的不同相的晶粒尺寸和晶格结构的变化所打断。这种强化合金的机制被称为“相变强化”变
在本公开的一个方面，各种基体材料和/或溶质的相变可以作为在合金形成期间加热和/或冷却所得合金(例如，将合金加热到特定温度、以特定速率冷却合金、热处理等)的函数而发生。在本公开的一个方面，在给定合金的3D打印过程中，可以选择能量束源103的温度(例如，由能量束源103输送的能量的量)、能量束穿过粉末床121的速度(例如，偏转器105的速度)和/或其他因素，以向粉末床121提供期望的温度曲线。例如，但不限于此，给定粉末117的加热和/或冷却可被选择为近似加热和/或冷却曲线，以在所得合金中产生期望的基体材料和/或溶质的相，并且不同粉末117的不同加热和/或冷却可被选择为产生不同的温度曲线，以在粉末117的所得合金中产生期望的相。在本公开的一个方面，由PBF系统100传递的温度曲线也可以负责任何打印后热处理，使得组合的打印/热处理可以以更有效的方式执行。
在铁(Fe)结构中，高水平的碳(C)和锰(Mn)溶质在合金结构中产生两种不同的晶粒；铁素体(bcc晶格结构)和马氏体(体心四方(bct)晶格结构)。Fe基合金结构中的这些不同晶格将Fe强化成钢，因为相邻的铁素体和马氏体晶格结构破坏了基体材料层界面的平面连续性，并且溶质(C和Mn)作为间隙式溶质进一步破坏了基体材料层平面。根据如何热处理合金，也可以形成Fe的其他晶格结构，例如奥氏体(具有fcc晶格结构)、贝氏体(具有与马氏体稍微不同尺寸的bct晶格结构)、渗碳体(正交Fe3C)和/或其他化合物。
一种形式的相变强化，例如在Fe基合金结构中产生渗碳体，也可以称为合金结构中的“三铁素体颗粒形成”。当然，如果基体材料是钛，这样的转变强化可称为“三钛颗粒形成；如果基体材料是铝(Al)，这样的转变强化可称为“三铝化物颗粒形成”等。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以形成其它形式的颗粒，例如具有两种间隙式溶质或介于间隙式溶质和替代式溶质之间的基体材料，其可以具有“二(di-)”前缀，例如二硼化钛(其中钛和硼都用作溶质等)。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在合金内产生任何数量的不同化合物(这些化合物用化学前缀、后缀和数字名称描述)，包括基体材料和/或溶质，基本上由其组成和/或由其组成。
合金组合物
在本公开的一个方面，一种或多种基体材料可以用于产生合金。例如，但不限于，铝(Al)可以用作基体材料；然而，Al可以与其他材料混合，例如镍(Ni)、铜(Cu)、钛(Ti)、铁(Fe)、钴(Co)、钼(Mo)、镁(Mg)、铬(Cr)和/或其他材料，例如高熵合金(HEA)材料等，可以单独用作基体材料。在不脱离本公开的范围的情况下，也可以用其他单一基体材料代替Al。
本公开的一种或多种合金配置有余量的Al。在一些方面，余量可包括至多0.1重量％的微量元素。Al可以与一组其他材料例如一种或多种元素合金化。
在某些配置中可用于形成Al合金的示例元素可包括镁(Mg)、锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、钛(Ti)、锆(Zr)、钇(Y)、和/或上述元素组的全部或子集的某种组合。
在本公开的一个方面，可以使用包含铝(Al)、镁(Mg)和硅(Si)的合金。这样的合金“系统”或基线在本文中可称为“基线在本文中可称为合金系统。
在本公开的一个方面，可以制造具有增加的强度的Al-Mg-Si合金组合物。在本公开的一个方面，可以制造具有增加的刚度的Al-Mg-Si合金组合物。在本公开的一个方面，可以制造具有增加的强度和刚度的Al-Mg-Si合金组合物。
共晶合金是在低于任何成分熔点的单一温度下熔化或凝固的物质的混合物。共晶合金的熔点被称为共晶温度，是合金中使用的组分种类在所有混合比下的最低可能熔化温度。材料的非共晶混合物中所涉及的物质中的每一种或至少一些具有不同的熔化温度，因为一种物质的晶格在比其他物质更低的温度下熔化。类似地，当非共晶混合物冷却时，一些组分将在不同的温度下凝固，直到整个混合物成为固体。
当元素以适当的比例组合时，所得材料表现出共晶行为，即在给定温度或接近给定温度下凝固。当混合物含有较小百分比的其中一种物质时，它被认为是“活性不足”或亚共晶的。当混合物含有较大百分比的其中一种物质时，它被认为是“活性过度”或过共晶的。这些改变合金中所含各种物质的百分比。
在例如图1A-1D中描述的PBF增材制造系统中，熔融材料的冷却以大约103至106℃/秒(或°K/秒)发生。相对于常规合金形成中所经历的那些，这样的冷却速率导致共晶极限(例如共晶温度)的变化。例如，但不限于此，Al-Mg-Si系统中过量的Si可在最终合金中产生不希望的共晶Si相。作为另一个实例，合金组合物中过量的Mg可导致打印的材料在凝固过程中产生微裂纹，使稳定工艺窗口变窄。
在本公开的一个方面，本公开的Al-Mg-Si合金系统中的组分可包括增加量的Mg2Si，并在Al中采用额外的固溶强化，同时仍允许用Si进行PBF增材制造。
将Mg与Al和Si结合通常通过在合金内形成Mg2Si来提高所得合金的固溶强化和沉淀强化。然而，在PBF系统(例如激光PBF系统)中，过量的不形成Mg2Si的Mg可导致整个合金的强度降低，因为过量的Mg在凝固时可在材料中产生微裂纹。
包含纳米晶粒的Al合金可以允许任何过量的Mg占据Al晶界。在这样的合金中，合金将进入平衡、能量平衡的状态。
在能量平衡状态下，根据本公开的一个方面得到的Al-Mg-Si合金可以具有增加的整体材料硬度和强度，因为偏析的Mg改变了晶界处形成能的性质，并且可以减少位错堆积。在这样的合金中，可能存在与加工材料(例如机械加工、焊接、增材制造等)的残余应力的影响相关的晶格应变的局部增加。
在本公开的一个方面，可以控制增材制造的Al-Mg-Si合金中Si与Mg的百分比，以减少最终合金中不形成Mg2Si的Mg的量。为了减少或消除增材制造的Al-Mg-Si合金中的微裂纹，Si/Mg比可以大于一定的量。在本公开的一些实施方案中，增材制造的Al-Mg-Si合金可以具有大于0.13的Si/Mg比。
图2D示出了根据本公开的一个方面的合金组合物的三元图。
在本公开的一个方面，根据本公开的一个方面的过共晶和/或亚共晶Al-Mg-Si过共晶和亚共晶Al-Mg-Si合金可以具有增加的强度。
在本公开的一个方面，可以生产AlXSiYMg形式的合金，其中X式的且Y式的。如图2D所示，三元图250示出了Al与各种百分比的Si和Mg的组合。硅的百分比的增加显示在轴252上，镁的百分比的增加显示在轴254上，其中原点256是纯铝。虚线258示出了Mg与Si的恒定百分比，即Mg2Si。点260是合金中没有额外的Mg或Si的位置，弧262是Al-Mg-Si合金在基本相同的温度下冷却的共晶线。在弧262的左侧，即区域266，铝在Mg2Si和其他成分之前冷却；在线的右侧，即区域264，Mg2Si在整个合金冷却之前冷却。然而，在本公开的一个方面，合金可在区域268中形成，即弧262附近的亚共晶和过共晶区域。
在区域268内，示出了组合物270-276。组合物270显示为包含5％的Si、9％的Mg，并且合金的余量为Al(不考虑任何微量元素)。组合物270在弧262的右侧，因此被认为是过共晶的。组合物272显示为包含7％的Si、10％的Mg，并且合金的余量为Al(不考虑任何微量元素)。组合物272在弧262的右侧，因此被认为是过共晶的。
组合物274显示为包含15％的Si、8％的Mg，并且合金的余量为Al(不考虑任何微量元素)。组合物274在弧262的左侧，因此被认为是亚共晶的。组合物276显示为包含20％的Si、8％的Mg，并且合金的余量为Al(不考虑任何微量元素)。组合物276在弧262的右侧，因此被认为是过共晶的。在本公开的一个方面，在不脱离本公开的范围的情况下，其他亚共晶和过共晶Al-Mg-Si合金是可能的。这些亚共晶和过共晶合金组合物中的一些与组合物270-276一起在表1中示出。
表1
在本公开的一个方面，合金可以包括约5-20重量％的Si和7-10重量％的Mg。在本公开的一个方面，可以向任何亚共晶和过共晶合金中添加其他元素，以增强所得合金的各种特征和性质。在本公开的一个方面，这样的添加物可以包括例如银(Ag)、镍(Ni)、锰(Mn)、钙(Ca)、锆(Zr)、各种稀土金属等。
在本公开的一方面，可以将一种或多种额外的元素添加到Al-Mg-Si合金中以增强或改变所得合金的一种或多种特性或性质。在这样的方面，可以将钙(Ca)和/或锆(Zr)添加到Al-Mg-Si合金中。表2示出了根据本公开的各方面的Al-Mg-Si合金和添加的Ca、Zr和Ca与Zr的各种组合物。组合物270-276在表中标注为SiMg-59(组合物270)、SiMg-710(组合物272)、SiMg-158(组合物274)和SiMg-198(组合物276)。
在包括Ca或Zr、或Ca和Zr两者的各种实施方案中，组合物可由下表表示：
表2
本公开的铝合金可以形成为粉末、线材或棒材，例如用于AM中。AM原材料可以通过粉末制造工艺以及其他方法制造，例如铸锭冶金(I/M)，其中通过将金属与添加的合金元素一起熔化并在模具中固结(例如，铸锭)来制造固体铸锭。然后通过各种锻造材料生产方法，例如轧制、挤压、拉拔等，使模制的固体或铸锭变形。将铸锭、线材和棒材熔化和雾化制成粉末，或直接送入激光、电子、等离子束或电弧(如TIG、MIG)中，逐层熔化金属层以制造AM产品。
粉末特性对于在例如PBF和/或DMD的AM机器中成功融合可能是重要的。可能有利于与AM一起使用的合金粉末的一些方面可以包括但不限于良好的流动性、颗粒的紧密堆积和球形颗粒形状。这些方面可能导致一致和可预测的层。
本公开的其余部分描述了可以实施上述合金的各种实施方案。本领域普通技术人员将容易理解如何以各种方式由合金形成下述各种结构。例如，各种结构可以用合金3D打印、用合金挤压、用合金锻造，并且可以经历或不经历各种后处理，例如热处理、喷丸、机械加工等。本文所述的任何结构可以由一种或多种上述合金形成。例如，节点、载具底盘部件、悬架结构、框架、承载结构、非承载结构、板件、管材等可以由一种或多种合金形成。
该合金可以通过3D打印工艺生产，该工艺包括大于1000摄氏度每秒的冷却速率，并且可以是激光-粉末床融合、电子束粉末床融合或定向能量沉积中的至少一种。
尽管该合金可以基本上由铝、镁和硅组成，但是这样的合金可以任选地进一步包含银(Ag)、镍(Ni)、锰(Mn)、钙(Ca)、锆(Ca)、各种稀土金属等中的至少一种。这样的合金还可以具有至少450MPa的屈服强度，并且可以具有至少480MPa的屈服强度。在本公开的方面中，本文提及的任何合金可以包括在合金的76重量％至合金的88重量％范围内的铝。
在本公开的一个方面，Al-Mg-Si合金可以具有至少4％的伸长率。在本公开的另一方面，Al-Mg-Si合金可以具有至少7％的伸长率。
在本公开的一个方面，Al-Mg-Si合金可以具有在洛氏硬度标度(HRB)上至少为80的硬度。在本公开的另一方面，Al-Mg-Si合金可以具有在洛氏硬度标度上至少为88的硬度。
铁是在铝中最常见的杂质。铁在熔融铝中具有高溶解度，并且因此容易地在生产的各个熔融阶段溶解。铁在固态下的溶解度低，并且取决于冷却速度，它可以通过形成FeAl3和更复杂的AlFeMgSi沉淀在合金中以提供另外的强度。在不脱离本公开的范围的情况下，可以根据需要有意地将其他杂质引入到合金中。
在一些示例性应用中，本公开的一种或多种合金可用于汽车工程中的AM。例如，本文所述的一种或多种合金可以增材制造用于结点、接头和/或其他结构的生产，它们可以应用于载具(例如，轿车、卡车等)中。例如，本文所述的一种或多种合金可以进行增材制造以生产载具的底盘、车架、车身等的全部或一部分。
本文所述的一种或多种合金的特性可有助于由本文所述的一种或多种合金制成的结构的耐撞性。此外，本公开的一种或多种合金可以配置有本文所述的材料(例如元素)，使得使用所述一种或多种合金的至少一部分增材制造的产品可以在合适的插入点处减轻载具的重量(例如，与现有的载具制造方法相比)。
本公开的一种或多种合金呈现的特征和/或特性可以超过各种现有合金的相应特性和/或特性，例如，在AM应用的背景下。本公开的示例合金可以用L-PBF法处理成打印测试条。从示例合金可以获得抗拉性能。
AM原材料可以通过粉末制造工艺以及其他方法(例如铸锭冶金(I/M))制造，其中通过将金属与添加的合金元素一起熔化并在模具中固结(例如铸锭)来制造固体铸锭。然后通过各种锻造材料生产方法，例如轧制、挤压、拉拔等，使模制的固体或铸锭变形。将铸锭、线材和棒材熔化和雾化制成粉末，或直接送入激光、电子、等离子束或电弧(如TIG、MIG)中，逐层熔化金属层以制造AM产品。
粉末特性对于在例如PBF和/或DED的AM机器中成功融合可能是重要的。可能有利于与AM一起使用的合金粉末的一些方面可以包括但不限于良好的流动性、颗粒的紧密堆积和球形颗粒形状。这些方面可能导致一致和可预测的层。
下面的部分描述了可以实施本文所述合金的各种实施方案。本领域普通技术人员将容易理解如何以各种方式由合金形成下述各种结构。例如，各种结构可以用合金3D打印、用合金挤压、用合金锻造，并且可以经历或不经历各种后处理，例如热处理、喷丸、机械加工等。本文所述的任何结构以及其他结构可以由本文所述的一种或多种合金形成。例如，节点、载具底盘部件、悬架结构、框架、承载结构、非承载结构、板件、管材等可以由本公开的一种或多种合金形成。
图3示出了载具底盘，例如Blade超级跑车底盘，其中可以实施本公开的方面。
图3示出了示例性汽车底盘，即由Divergent Technologies，Inc.制造的Blade超级跑车底盘300，其包括作为结构一部分的节点和管。汽车底盘，例如Blade超级跑车底盘300，是可以实施本公开的各方面的结构的示例。尽管本文描述的示例主要涉及载具结构(比如底盘、缓冲区等)，但是应当理解的是，本公开的各方面可以应用于包括节点-管连接件的其它结构。
Blade超级跑车底盘300包括通过一个或多个节点303连接的碳纤维管301。每个节点303可包括例如中部本体以及从中部本体延伸的一个或多个端口。在各种实施方案中，多端口节点可设置为连接管(例如碳纤维管301)以形成二维或三维结构。例如，该结构可以是框架。在一个示例中，具有轴线在大致相同的平面中的管的结构可以被称为平面框架，而具有轴线在不同平面中的管的结构可以被称为空间框架。空间框架可以限定容积。在一些示例中，三维空间框架结构可以是载具底盘。
载具底盘可以具有限定空间的长度、宽度和高度，例如载具的乘员隔室。
载具底盘可以形成载具框架。载具底盘可以提供用于放置载具的本体板件(例如门板件、顶板件、底板件、或形成载具闭合件的任何其它板件)的结构。
此外，底盘可以是用于车轮、传动系、发动机缸体、电气部件、加热和冷却系统、座椅、存储空间等的结构支撑。载具可以是乘用车、货车等。载具的示例可包括但不限于轿车、卡车、公共汽车、货车、小型货车、旅行车、娱乐车、拖车、拖拉机、推车、汽车、火车或摩托车、船、航天器或飞机(例如，有翼航空器、旋翼机、滑翔机、轻于空气的空中载具)。载具可以是基于陆地的载具、空中载具、基于水的载具或基于太空的载具。本文对任何类型的载具或载具底盘的任何描述都可适用于任何其它类型的载具或载具底盘。
载具底盘可以提供与载具类型的形状因子匹配的形状因子。根据载具的类型，载具底盘可具有不同的构造。载具底盘可以具有不同的复杂程度。在一些情况下，可以提供三维空间框架，该三维空间框架可以提供用于载具的外部框架。外部框架可以被配置成接收本体板件以形成三维闭合件。在一些情况下，可以提供内支撑件或部件。内支撑件或部件可以通过连接到空间框架的一个或更多个接合构件而连接到空间框架。可以提供多端口节点和连接管的不同布局以适应不同的载具底盘构造。在一些情况下，可以布置一组节点以形成单个独特的底盘设计。在一些情况下，该组节点中的至少一个子集可用于形成多底盘设计。在一些情况下，在一组节点中的至少一个节点子集可以装配到第一底盘设计中，并且然后被拆卸并再使用以形成第二底盘设计。第一底盘设计和第二底盘设计可以相同或它们可以不同。
在该示例中，碳纤维管301是碳纤维材料。在各种实施方式中，可以使用其它复合材料。在各种配置中，可以使用如本文所述合金的合金。复合材料的示例包括高模量碳纤维复合材料、高强度碳纤维复合材料、平纹碳纤维复合材料、缎纹编织(harness satinweave)碳复合材料、低模量碳纤维复合材料、低强度碳纤维复合材料等。在一些实施方式中，管可以由例如塑料、聚合物、金属、金属合金等的其它材料形成。管可以由刚性材料形成。管可以由一种或多种金属和/或非金属材料形成。
连接管可以具有不同的横截面形状。例如，连接管可以具有大致圆形形状、正方形形状、椭圆形形状、六边形形状或不规则形状。连接管横截面可以是闭合横截面。连接管横截面可以是敞开的横截面，例如C通道、工字梁、角等。
管可以是中空管。中空部分可以沿管的整个长度设置。例如，连接管可具有内表面和外表面。管的内径可以对应于连接管的内表面。管的外径可以对应于连接管的外径。连接管可具有两个端部。两个端部可以彼此相对。在一些实施方案中，连接管可具有三、四、五、六或更多个端部。
本公开中提出的节点到管连接件的各种方面可适用于载具底盘框架，例如图3中所示的Blade超级跑车底盘300。Blade超级跑车底盘300中的节点可以设计成适于由底盘设计决定的管角度。节点可以制造成期望的几何形状，以允许底盘的快速且低成本装配。在一些实施方案中，可以使用3D打印技术来制造节点。3D打印本文所述的合金可以允许节点形成为可以适应不同框架构造的各种几何形状。3D打印可以允许节点基于包括节点尺寸的计算机生成的设计文件来形成。
节点可以由金属材料(例如本文所述的合金等)、复合材料(例如碳纤维等)、聚合物材料(例如塑料等)、这些材料和/或其它材料的组合等构成。节点可以由粉末材料形成。节点可以由一种或多种金属和/或非金属材料形成。3D打印机可以熔化和/或烧结粉末材料的至少一部分以形成节点。节点可以由大致刚性的材料形成。
例如，节点可以用作底盘结构的一部分。节点是用于将两个或更多零件组合在一起的任何3D打印零件，例如管材、挤压件、板件或其他节点。该节点可用于提供对不同负载的支撑。例如，可以在底盘框架的连接处找到节点。此外，除了连接部件之外，节点可以用于其他目的，包括例如作为碰撞结构。使用本文的原理，可以使用薄外壁和用于支撑外壁的选择性设计的内部肋来制造节点。
图4示出了根据本公开的一个方面的载具底盘结构的透视图。
图4示出了根据一个实施方案的载具底盘结构401的外部透视图。底盘结构401是具有内部肋的3D打印的中空结构。底盘结构401可以由本文所述的合金形成。在一个实施方案中，底盘结构401是载具节点。底盘结构401包括壁403，该壁是限定底盘结构的外部表面的外壁。换句话说，壁403代表底盘结构的外部表层。因此，壁403围绕底盘结构的周边延伸并且在中空底盘结构401内界定中空部分416。
底盘结构401包括在肋边缘线402、404和408处接触壁403的内表面的内部肋。换句话说，肋边缘线402、404和408示出了内部肋的边缘，其中内部肋与对应壁403的内表面相交。例如，在3D打印过程期间，内部肋可以附接到壁403的内表面。与肋边缘线如402、404和408相对应的内部肋可以延伸穿过底盘结构401的中空部分416的整个长度，也就是说，内部肋可以从底盘结构的一个壁延伸到另一侧上的相对壁，如图5B-D中更详细地示出的。作为示例，虽然中空部分416的容积可以依据底盘结构401的性质和动态刚度的目标规格等而显著变化，但是在一个示例性实施方案中，中空部分近似为1000毫升。在其他实施方案中，这个值可以更大或更小。
如下面更详细地示出的，肋可以包括多组肋。在此，肋边缘线402、404和408中的每一个属于不同组的大致平行的肋。也就是说，在该实施方案中，每组肋包括多个平行的肋，使得一组中的每个肋与其他组中的一个或更多个肋相交。以这种方式，例如，肋的相交可以提供支撑，以有助于允许各个肋自支撑，并且在一些实施方案中，以有助于相交的肋在实施底盘结构时在处理底盘结构上的外部载荷时充当更有效的加强结构。在其他实施方案中，可以使用附加的或不同的标准来帮助肋进行自支撑以及允许肋以最佳方式处理外部载荷并且衰减高频板模式。例如，放置相对于彼此以不同的角度相交的肋的组可能是帮助肋进行自支撑和/或帮助肋在处理外部载荷时充当更有效的加强结构的另一个因素。示出了打印方向415，以说明图4中的底盘结构和肋边缘线是如何相对于打印方向对齐的，如下面进一步描述。在图4中，打印方向415指向上并且通常垂直于构建板107的上表面的平面。
图5A示出了根据本公开的一个方面的外壁被移除的载具底盘结构的透视图。
图5A示出了图4的底盘结构401的内部透视图，其中移除了外壁403，以示出中空部分416内的肋的细节。在一个实施方案中，底盘结构401可以构成节点。图5A中的底盘结构401已经经由一种或更多种算法进行了拓扑优化，以产生质量减少的节点。图5A示出了底盘结构401的内部肋的更详细的视图。如图4所示，在整个节点中存在三个不同的内部肋组。更具体地说，图5A中的不同组肋包括(i)第一组平行肋(即，肋-1 502)，其沿着第一方向定位；(ii)第二组平行肋(即，肋-2 504)，其沿着第二方向定位，使得两组肋(即，肋-1 502和肋-2504)在整个底盘结构401的多个不同位置处彼此相交；以及(iii)第三组肋(其中三个被称为肋-3 508A、肋-3 508B和肋-3 508C)，其沿着横跨前两组肋的部分或全部的方向定位，并且因此在整个底盘结构的不同位置处与前两组肋(即，肋-1 502和肋-2 504)相交。
如图5A所示，标记为肋-3 508A-C的每个肋的长度不同，因此较短的肋-3508A-B不与其他两组肋中的所有肋相交。此外，为了避免不适当地模糊图5A中的概念，不是所有组中的所有肋都用附图标记具体标识。然而，图5B-D(下图)示出了各个组的肋。
图5B-D示出了根据本公开的一个方面的载具底盘结构的内部肋的透视图。
图5B-D示出了图5和5A的载具底盘结构401的三组内部肋的透视图。为了清楚起见，图5B-D示出了移除了所有其他结构的每组肋，从而可以更容易地看到各个组的肋的细节。
图5B示出了肋-1布局520，其示出了在图5A中被标识为肋-1 502的第一组肋。如图所示，肋(肋-1 502)的特征在于布置在相同定向的平面中的多个部件。打印方向415(即选择性地添加打印材料的层或切片并由电子束扫描的方向)是直上直下的。在如图5B所示的各种实施方案中，每个肋-1 502的对齐角度522相对于打印方向515小于或等于(≤)45度(45或)。在一个实施方案中，对齐角度522等于45度(452)。因此，第一组肋(肋-1 502)是自支撑的，并且在3D打印期间不需要支撑结构。
图5C示出了肋-2布局530，其示出了在图5A中被标识为肋-2 504的第二组肋。像在图5B中一样，图5C中的肋的特征可以在于在相同排列的平面中的多个部件。在此，对齐角度523也相对于打印方向415小于或等于(≤)45度(45或)。因此，第二组肋(肋-2 504)同样是自支撑的，并且在3D打印期间不需要支撑结构。
图5D示出了肋-3布局540，其示出了第三组肋，该第三组肋在图5A中被标识为包括标记为肋-3 508A-C的三个肋。图5D还示出了第三组中的其余肋(即，肋-508D-G)。与在前两组中一样，第三组中的每个肋(肋-3 508A-G)的形状不同，但是这些肋沿平行平面定向。在此，对齐角度也相对于打印方向415小于或等于(≤)45度(45或)。应当注意的是，在该图的透视图中，对齐的角度与页面成一定角度，并且因此未示出，以便避免混淆。然而，本领域的技术人员将容易理解，肋的对齐角度相对于打印方向415小于或等于(≤)45度(45或)。因此，第二组肋(肋-3 508A-G)同样是自支撑的，并且在3D打印期间不需要支撑结构。
参考回图5A，肋-1 502被示出为与肋-2 504相交，这继而在底盘结构401中形成多个“菱形”凹处。同样，每个肋-3 508至少部分地切穿前两组肋(即，肋-1 502和肋-2 504)中的一个或更多个肋，以在底盘结构401的下平面中形成额外的凹处。
在第三组(即，每个肋-3 508)中生产多个肋可以用于进一步支撑第一组和第二组肋(即，肋-1 502和肋-2 204)。这种增加的支撑可以使底盘结构401能够仅使用自支撑肋来充当满足动态刚度要求的加强结构，同时使底盘结构401的质量最小化。底盘结构401仅用于说明性目的，并且其他底盘结构比如其他节点可以根据需要在每组肋中使用更少或更多的肋以实现其目标。此外，虽然在图5A中示出了三组肋，但是在其他实施方案中，不同数量的肋组也是可能的。仍然参考图5A-D，可以理解的是，在3D打印中消除对支撑件的需求也最小化了后处理时间，至少因为不存在需要分离和移除的支撑结构。此外，与目前常用于制作这些类型的底盘结构的铸造或挤压技术相比，当使用3D打印时，壁厚可以显著减少到大约1至2毫米或更小。
底盘结构401的一个优点是所有三组肋中的每个肋都是自支撑的。此外，在各种实施方案中，每个肋可以用作加强结构，以用于衰减高板节点，而底盘结构401中的任何肋在3D打印期间不仅仅用于支撑壁。此外，因为肋还可以用于在3D打印期间支撑壁403，同时在实施时用作加强结构，所以自支撑肋的使用有效地消除了对例如用于在3D打印期间支撑壁403的外部支撑结构的需要。图4中的底盘结构401(并且在图5A-D中进一步公开)的另一个优点是，由于可以使用更薄的壁(例如，1-2毫米(mm)或更小)，所以底盘结构401的质量可以显著减少。也可以以最佳方式选择肋的数量、厚度和方向，以使底盘结构401的总质量最小化。例如，在各种实施方案中，可以将肋制成具有大约1-4毫米(mm)或更小的厚度。
图6是示出了根据本公开的一个方面的示例结构的图。图6是示出示例结构600的图。图6中示出的示例结构600包括第一增材制造(AM)零件602，其被配置为经由施加于第一AM零件602和第二零件604之间的接口608的初级连接606连接到第二零件604。增材制造零件可以由本文描述的一种或多种合金形成。
在一个方面，至少一个保持元件610包括次级连接702(参见图7)。次级连接702包括构造成固定第一AM零件702和第二零件704的第一粘合剂704(参见图7)。次级连接定位成在第一AM零件702与第二零件704之间提供连接。
图7是示出了根据本公开的一个方面的处于组装状态的示例结构的图。
图7是示出处于组装状态的示例结构700的图。图7所示的示例结构700包括第一AM零件602，该第一AM零件经由施加于第一AM零件602与第二零件604之间的接口608的初级连接606连接至第二零件604。
在一方面，至少一个保持元件610包括次级连接702。次级连接702包括构造成固定第一AM零件602和第二零件604的第一粘合剂704。次级连接可以定位成在第一AM零件602与第二零件604之间提供连接。
示例结构600可以包括第一增材制造(AM)零件602和至少一个保持元件604。第一AM零件602可以是节点、节点的子部件或其它类型的部件。AM零件602可以通过任何常规手段打印，包括例如通过PBF。可以使用适用于PBF打印的任何技术来执行PBF打印。例如，这些技术可以包括选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、电子束熔化(EBM)、直接金属激光烧结(DMLS)及其它技术。在其它实施方案中，AM零件602可以利用不同的3D打印技术(例如熔融沉积成型(FDM))进行打印。FDM AM可以是打印各种塑料、热塑性塑料等的理想选择。一般而言，AM零件602可以利用任何已知的一种或更多种AM技术增材制造。
在组合零件时使用AM的一个优点是，由于AM的设计灵活性，AM零件602可以包括各种特征612、614、616，这些特征进而可以与基于粘合剂的零件保持结合使用。例如，可以使用AM来生成粘合在一起的特征612和614、将粘合剂运送到AM零件602可以粘合到另一零件604的一个或更多个位置(例如，初级连接606和/或保持元件610、特征614)的特征616、或这两者的组合(例如，特征612、614、616)。更进一步，基于粘合剂的零件保持可以与基于机械的零件保持相结合。例如，初级基于粘合剂的零件保持可以与基于机械的零件保持相结合。次级基于粘合剂的零件保持(例如，在施加、干燥和/或固化初级粘合剂时将零件保持在一起)可以与基于机械的零件保持相结合。初级基于粘合剂的零件保持和次级基于粘合剂的零件保持的某种组合可以与基于机械的零件保持相结合。基于机械的零件保持可以包括，例如，保持卡环的凹槽、螺钉与垫片、弹簧加载的夹子、夹子、卡扣状零件保持元件、与另一零件上的接收器可滑动接合的卡扣状零件保持特征、倒钩紧固件(Christmas treefastener)、磁体、榫槽连接、或者其它基于机械的连接。
在一示例中，第一AM零件602可以构造成连接至第二零件604。第二零件604可以包括，例如，AM零件、管、板件、挤压件、任何其它类型的常规制造的零件、或COTS零件。因此，所形成的结构可以通过将例如两个(或更多个)AM零件(例如，其中一个AM零件可以被认为是第一AM零件)或一个AM零件(例如，其中该AM零件可以被认为是第一AM零件)与管、板件、挤压件或任何其它类型的常规制造零件或COTS零件结合在一起来制造。
第一AM零件602与第二零件之间的连接可以经由初级连接实现。例如，初级连接可以包括用于将结构结合在一起的初级粘合剂。初级连接可以施加于第一AM零件602与第二零件604之间的接口。例如，可以施加初级粘合剂。
在一些实施方案中，零件保持特征(例如，零件保持元件610)可以是临时性的，并且可以在形成结构之间的初级粘合剂结合之后移除。(多种)粘合剂也可以用于零件保持特征。例如，可以包括至少一个保持元件。该至少一个保持元件可以包括次级连接702。次级连接702可以包括构造成固定第一AM零件602和第二零件604的粘合剂。更进一步，次级连接702可以定位成在第一AM零件602与第二零件604之间提供连接。
在一方面，第一粘合剂包括施加在与第一AM零件602相关联的第一机械特征614和与第二零件604相关联的第二机械特征612之间的热熔材料。热熔材料可以包括任何形式的热熔粘合剂、热熔胶或另一种热塑性粘合剂。然而，一般而言，热熔粘合剂、热熔胶或另一种热塑性粘合剂可以快速固化，使得热熔粘合剂、热熔胶或另一种热塑性粘合剂快速固化。因此，热熔材料可以是快速固化粘合剂或快速固化密封剂。
在一方面，可以使用热熔材料。热熔材料可以是快速固化粘合剂或快速固化密封剂，其可以施加于待连接的两个部件上的机械特征。这些特征可以具有增加的表面面积。增加的表面面积可以实现足够的结合强度以保持被连接的两个(或更多)零件。一旦热熔保持流体固化，可以将粘合剂注入被连接的节点之间。固化的热熔特征将确保在粘合剂注入过程期间保持两个零件602、604。保持力(即，由热熔物提供的将两个节点保持在一起的力)将高于粘合剂注入力，从而将零件602、604牢固地保持在正确的取向上，并具有所需的分隔距离，以确保可重复的结合。
在一方面，第一粘合剂包括施加在与第一AM零件602相关联的第一机械特征和与第二零件相关联的第二机械特征之间的紫外线(UV)固化粘合剂。UV固化系统706可以用作零件保持特征。在该实施方案中，保持特征处的粘合剂将被UV固化，使得它们在粘合剂注入和固化过程期间保持就位。UV固化粘合剂将施加于关键位置，以提供足够的保持力。UV固化粘合剂将构造成在粘合剂注入和固化之前固化。
在一方面，第一AM零件602与第二零件604之间的初级连接606包括第二粘合剂708。例如，次级粘合剂可以在第一AM零件602和第二零件604相接(例如，如图7中所示)的情况下处于第一AM零件602与第二零件604之间。
在一方面，第一粘合剂704比第二粘合剂708固化得更快。例如，如以上论述的，可快速固化的热熔材料(例如热熔粘合剂、热熔胶或另一种热塑性粘合剂)可以用作第一粘合剂704。第二粘合剂708可以固化得更慢。
在一方面，次级连接702进一步包括机械结构(例如，构成保持元件610)。例如，次级连接可以包括基于粘合剂和机械的零件保持。基于机械的零件保持可以包括，例如，保持卡环的凹槽、螺钉与垫片、弹簧加载的夹子、夹子、卡扣状零件保持元件、与另一零件上的接收器可滑动接合的卡扣状零件保持特征、倒钩紧固件、磁体、榫槽连接、或者除了粘合剂之外可以使用的其它基于机械的连接。
在一方面，机械结构可以与第一AM零件602和第二零件604中的至少一个集成在一起。例如，机械结构618可以与第一AM零件602集成一起。机械结构620可以与第二零件604集成在一起。
在一方面，机械结构与第一AM零件602和第二零件604中的至少一个共同打印。例如，机械结构618可以与第一AM零件602共同打印。机械结构620可以与第二零件604共同打印。
在一方面，机械结构与第一AM零件602和第二零件204分开。例如，机械结构618可以在制造第一AM零件602之后附接至第一AM零件602。机械结构620可以在制造第二零件604之后附接至第二零件604。
图8是示出了根据本公开的一个方面的图7的示例结构的一部分的图。
图8是示出图7中的示例结构700的一部分800的图。示例结构800包括第一AM零件602，其经由施加于第一AM零件602与第二零件604之间的接口608的初级连接606连接至第二零件604。
在一方面，至少一个保持元件610包括次级连接702。次级连接702包括构造成固定第一AM零件602和第二零件604的第一粘合剂704。次级连接可以定位成在第一AM零件602与第二零件604之间提供连接。
如图8中所示，第二零件604可以是具有凹槽802的节点。第一AM零件602可以是具有榫舌804的节点。例如，当第一AM零件602与第二零件604组装以形成结构时，第一AM零件602的榫舌804可以插入第二零件604的凹槽802中。粘合剂704可以是热熔粘合剂，其可以施加在热熔保持特征(例如机械特征612)附近，该热熔保持特征与另一保持特征(例如保持元件610)匹配。
图9是示出了根据本公开的一个方面的图7的示例结构的一部分的图。
图9是示出图7中的示例结构700的一部分900的图。更具体地，图9示出了与另一保持特征(例如保持元件610)匹配的热熔保持特征(例如机械特征612)的示例。如图9中所示，热熔保持特征(例如机械特征612)可以是单个杆保持特征。因此，机械特征612可以是穿过形成保持特征的开口圆形区域的单个杆或轴。此外，如图9中所示，热熔保持特征(例如保持元件610)可以是网球拍或华夫饼制作机保持特征。因此，保持元件610可以是横跨开口圆形区域的多个杆或轴，该开口圆形区域形成在形状上大体类似于网球拍或华夫饼制作机上的热板的保持特征。胶或粘合剂可以放置在保持元件610与机械特征612之间。胶或粘合剂可以在保持元件610和机械特征612的各部分之间流动，并且可以结合到保持元件610和机械特征612的各部分。例如，胶或粘合剂可以结合到单个杆保持特征和/或网球拍或华夫饼制作机保持特征。
图10是示出了根据本公开的一个方面的图7的示例结构的一部分的图。
图10是示出图7中的示例结构700的一部分1000的图。更具体地，图10示出了热熔保持特征(例如匹配在一起的保持元件610以及机械特征612)的两个示例。保持元件610和机械特征612都是单个杆或轴。单个杆或轴各自穿过相应的圆形开口形成，每个圆形开口(以及对应的杆或轴)形成相应的保持特征。胶或粘合剂可以放置在保持元件610与机械特征612之间。胶或粘合剂可以在保持元件610和机械特征612的各部分之间流动，并且可以结合到保持元件610和机械特征612的各部分。例如，胶或粘合剂可以结合到单个杆保持特征。
在一方面，用于增材制造第一AM零件602的机构可以包括3D打印机系统(例如，PBF系统)或另一增材制造系统。用于增材制造第一AM零件的机构可以制造第一AM零件602，该第一AM零件构造成经由施加到第一AM零件602与第二零件604之间的接口608的初级连接606连接至第二零件604。
在一方面，用于将第二零件604附接至第一AM零件602的机构可以包括用于将第二零件604附接至第一AM零部件602的一个或更多个机械装置(比如一个或更多个制造机器人)。例如，(多个)制造机器人可以将第二零件604定位在第一AM零件602附近。
在一方面，一个或更多个制造机器人可以将一种或更多种粘合剂施加到一个或更多个保持元件。因此，在一方面，用于施加第一粘合剂的机构可以包括一个或更多个制造机器人。例如，专用机器人(或多个机器人)可以用于施加(多种)粘合剂。在另一示例中，用于将第二零件604附接至第一AM零件602的一个或更多个制造机器人还可以构造成施加(多种)粘合剂。因此，用于施加第一粘合剂的机构可以包括用于将第二零件604附接至第一AM零件602的施加(多种)粘合剂的机器人的各方面。
(多个)制造机器人可以利用包括次级连接702的至少一个保持元件610将第二零件604附接至第一AM零件602。次级连接702可以包括构造成固定第一AM零件602和第二零件604的第一粘合剂。次级连接702可以定位成在第一AM零件602与第二零件604之间提供连接。
用于施加第一粘合剂的机构可以构造成在施加第二粘合剂、固化第二粘合剂期间、施加第二粘合剂之前和/或固化第二粘合剂之前中的一种期间施加第一粘合剂。在一方面，在施加第二粘合剂期间，可以施加(多种)粘合剂以固定第一AM零件和第二零件。在一方面，在固化第二粘合剂期间，可以施加(多种)粘合剂以固定第一AM零件和第二零件。
图11A示出了根据本公开的一个方面的使用蜂窝网格芯部的示例性板件的透视图。
图11A示出了示例性蜂窝板件1100的透视图，该蜂窝板件1100具有可由本文所述的一种或多种合金形成的增材制造芯部。通常，常规的蜂窝板件在汽车和飞机工业(等等)中有广泛的应用。所述板件可用于底板。板件还可形成为用作内部和外部门、发动机罩、行李箱区域、(飞机的)机身、船、轮船或航天器的框架、以及通常需要镶板的运输结构的任何区域的部件。板件1100是大致平整的板件，其包括具有厚度1106的顶部板件1102a、底部板件1102b，以及设置在顶部和底部板件1102a-b之间的芯部1108。如果需要，增材制造的芯部1108可以包括由本文所述的一种或多种合金形成的均匀分布的六边形蜂窝的基质。虽然显示了平整的板件，但是该板件可以是弯曲的或者可以包括任何合适的几何形状。在一个实施方案中，芯部1108是增材制造的。板件、芯部或两者也可以使用其他非AM方法形成。芯部可以形成有弯曲表面，并且其横截面厚度或其他非平面特征可以变化。表层或板件1102a-b可以形成在曲面上。在一些情况下，可以使用芯部作为工具来形成表层。在其他实施方案中，表层可以是增材制造的，或者使用传统方法单独制造。表层可以由本文描述的一种或多种合金形成。
图11B示出了根据本公开的一个方面的使用定制优化芯部的另一个示例性板件的透视图。
在本公开的一个方面，增材制造的芯部1108可以包括独特的网格结构阵列和/或定制的蜂窝结构。图11B示出了使用定制优化芯部的另一个示例性板件的透视图。类似于图11A，图11B中的板件部分包括形成在AM芯部上方和下方的板件1102a和1102b。板件和AM芯部可以由本文描述的一种或多种合金形成。在一些实施方案中，顶部板件1102a和底部板件1102b可以是共同打印的。在其他实施方案中，板件1102a-b可以使用传统方法形成。在任一情况下，板件1102a-b可以使用粘合剂粘附到增材制造芯部1108。任选地，板件1102a和/或1102b可以使用AM芯部1108作为工具在AM芯部1108上方形成。板件可以由任何材料，例如铝或复合材料制成。
仍然参考图11B，定制的AM芯部1108显示出形成半椭圆形空区域(例如，在箭头1123的左侧开始)的多个大致垂直的芯部连接。进一步在箭头方向上沿着1123移动，孔和突起开始成为对角。AM芯部的这些不同形状可以负责在板件部分中预期的不同类型的力，例如，相对于板件1102a-b朝向1123的左侧的较大的垂直力，以及随着芯部连接开始转向对角而沿着板件的较大的剪切力。对于所讨论的板件，可以使用并优化任何数量的定制或图案化的芯部材料。
根据所讨论的板件应用的最理想的结构优化，AM芯部材料通常可以采用各种常规或有机形状中的任何一种，或者介于两者之间。常规芯部材料可以包括例如泡沫芯部，其可以包括开孔或闭孔，并且其可以提供对表层的大致均匀的支撑。其他常规芯部材料可以为表层提供更结构化的、非均匀的支撑，其包括用于点支撑的纺织芯部、用于为两个表层提供区域支撑的杯形芯部、提供单向支撑的波纹芯部和提供双向支撑的蜂窝芯部。除了这些和其他常规芯部图案之外，可以生成任何类型的定制芯部图案并单独使用，或者与任何一种或多种常规图案相结合。板件的优化可以考虑多个参数，并且支撑的结构图案可以作为板件上任何点的位置的函数而不同。因此，可以以最佳方式在操作板上的每个点处适应不同的负载大小和方向。
板件1102a-b可以是增材制造的，或者在一些实施方案中与板件芯部共同打印。任选地，板件1102a-b可以使用常规方法制造。例如，板件1102a-b可以使用手工或自动复合铺叠来制造，这包括将干织物层或预浸料片铺在工具上以形成层状堆叠。在湿铺叠过程中用树脂浸渍干纤维层状堆叠，并使所得材料固化。任选地，可以将预浸料层状堆叠放置到工具上并加热以使其固化，然后将其压实。在示例性实施方案中，使用树脂传递模塑(RTM)生产板件。在RTM中，可将预成型材料放入模具中，然后封闭模具。可以通过入口将包括用于快速渗透和均匀分布的低粘度树脂的特定树脂混合物添加到模具中。可以使用真空来促进树脂注射过程。然后使零件固化以产生一个或两个板件1102a-b。
在其他示例性实施方案中，板件1102a-b使用树脂注射成型(RIM)、真空辅助树脂传递成型(VARTM)、树脂膜渗透(RFI)、压缩成型、注射成型等来生产。
组装之后，可将板件粘附到所述增材制造芯部1108。在一些替代实施方案中，板件1102a-b可以与增材制造芯部1108共同打印。在这些实施方案中，板件1102a-b可以在AM过程结束后通过粘合剂粘附到增材制造芯部1108。替代地或附加地，板件1102a-b可以使用另一种常规方法，例如通过热熔合等，固定到增材制造芯部1108。板件和芯部也可以构建为一个连续的AM构建体。任选地，如果在MAP或类似工艺中组装，则板件部件可以被共同打印，其中通过任选的AM工艺完成部件的连接。因此，例如，MAP可以共同打印板件部件，然后例如通过施加粘合剂来连接部件。例如，如果不使用MAP的话，还可以使用单独的程序来执行部件的连接。
虽然图11A-B的板件1102a-b被讨论为直接或通过粘合剂层固定到增材制造芯部1108，但在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以在增材制造芯部1108(或粘合剂层)和板件之间沉积一个或多个额外的材料片层或层，以优化用于期望结构应用的芯部。此外，在一些示例性实施方案中，增材制造芯部是网格型结构。然而，通常可以使用任何合适的芯部几何形状，其中一些几何形状比其他几何形状更理想，这取决于例如板件的目标设计目的和传输结构(板件可以组装到其中)的总体组装的因素。
在替代实施方案中，板件1102a-b可以在AM过程期间连接到增材制造芯部1108的相应侧，而不是在AM过程之后。
芯部1108可以使用不同的输入。例如，芯部1108可以增材制造为蜂窝结构或另一种结构，例如基于跨物理模型的多个输入的优化结构。非设计特定的AM过程可以使用提供给3D打印机的指令，该3D打印机包含增材制造芯部708的优化设计以满足期望的结构应用的目的。例如，根据板件1100的应用，例如用于底板或作为内侧板件的一部分等，优化将能够实现与制造用于期望结构应用的板件1100相关的规范物理参数(例如抗拉强度、刚度、厚度、包括剪切力和垂直力等的力矢量、压力及其梯度、通过碰撞方向等的能量吸收特性)和其他潜在的几何、热和基于材料的性质。在另一个示例性实施方案中，板件1100可以是机身或载具外部的一部分，在这种情况下，可以通过在三维中改变板件的形状来针对期望应用优化各种空气动力学特性。如下所述，为一种应用定制增材制造芯部可以简单地涉及在数据模型中描述期望结构的几何形状。
通常，送至3D打印机的指令可以提供改变板件的特性以使其更适合于给定的应用的修改的蜂窝结构(或其他定制结构，例如网格结构)。该优化过程通常可以是复杂的并且涉及大量的实验和设计努力。然而，根据本公开的某些方面，可以使用CAD或其它软件套件来大规模地替换或至少基本上加速这种潜在的艰巨过程以形成芯部。所得数据和指令可以作为表示芯部以及其他零件(如果有的话，将被增材制造)的数据模型的一部分被包括。然后可以将具有对应指令的优化数据模型提供给3D打印机，该打印机随后渲染该物理结构。
还可以改变该结构的CAD指令和/或数据模型以产生蜂窝结构的相应变化。在这一点上的一个优点是，在该周期中不需要工具或其它硬件；设计过程可以有利地由用于优化板件本身的算法替代，而不是涉及识别或构造昂贵模具以生产芯部的常规耗时过程。更一般地，传统上使用复杂的物理加工和劳动密集型的人力以及在一些情况下的低效的试验和错误方法所完成的，现在可以在软件中完成，并且使用较少的劳动在较低的价格下容易且高效地转换为硬件结构。
3D打印的广泛通用性还意味着设计者不限于常规蜂窝结构。相反，在其它示例性实施方案中，芯部1108可以使用针对预期应用而优化的任何类型的结构来增材制造，如将在下面的示例中描述的。在期望的增材制造芯部1108被增材制造之后，板件1100可以通过将板件1102a和1102b粘合到相对侧而形成。在示例性替代实施方案中，整个夹层板件(增材制造的芯部和板件)可以被增材制造在一起，潜在地与其他共同打印结构一起。也就是说，在示例性实施方案中，这些结构可以与板件(如图11A-B的板件1100)一起被增材制造。在替代的示例性实施方案中，这些结构可以被制造为单独的芯部结构。这些芯部结构此后可以结合到传统的蜂窝夹层板件构造中。
此外，在一些实施方案中，打印或成形的板件在不同位置处的厚度可以变化，类似于芯部的可变厚度。因此，一些板件可以在轮廓上厚度上都变化。这使得能够使用本文所述的原理生产弯曲板件或具有基本上任何轮廓的板件。
常规生产的蜂窝板件可以导致各向异性的性质。各向异性的性质是方向相关的，因为它们在不同的方向上变化。不同类型的各向异性的性质对于传输结构中的板件设计考虑可能是重要的。示例性的各向异性的性质按照所讨论的材料而不同，并且可以包括例如抗拉强度、热传导、剪切力和其它材料相关性质。虽然各向异性的性质可以存在于某些有用且高质量的材料中，例如碳纤维复合材料，但对于本公开所涉及的定制的蜂窝板件的应用而言这些性质通常是不期望的产物。
增材制造用于夹层板件的芯部(而不是使用常规制造过程来生产芯部)可导致结构上优化的芯部。与传统的蜂窝板件不同，具有增材制造的芯部结构的板件有利地可提供准各向同性性质，同时保持与常规制造的蜂窝芯部相同或相似的重量特性。准各向同性性质是在平面内与方向无关的性质。例如，当板件的拉伸刚度和强度保持大体相同时，板件可以展现准各向同性特征，而不管板件被拉伸或以其它方式经受面内拉伸力的方向。
图12A示出了根据本公开的一个方面的示例性载具底部构造。图12B示出了根据本公开的一个方面的具有不同孔配置的图12A的载具的示例性侧视图。
图12A的载具底部构造包括前碰撞结构1204、前拐角“转向”节点1206、后拐角“驱动”节点1210、后碰撞结构1212、后舱1214、前舱1202和底板结构1208。载具底部的相反侧包括类似的节点、碰撞结构等，并且从具体引用中省略，以避免过度模糊本公开的构思。车轮由1220(1)-(4)表示。电池组和相关电子器件也可以被包括在载具底部构造中。在一个实施方案中，电池和/或电马达可以紧凑地定位在载具底部区域下方并邻近车轮以及A柱和C柱(参见图12B、图18)。这种紧凑的构造可以有利地在基于EV(电动)的实施方案中提供附加的容积(参见图18的附图标记1810以及相关文本)或者乘员和货物。与包括可能占据大量容积的发动机变速器、散热器、涡轮增压器、机械增压器和动力总成的内燃发动机(ICE)不同，EV推进系统可以以更简单的方式实施，并且在一些实施方案中，EV推进只需要包括电马达、电池组以及电气互连与控制电路，它们中的每一个都可以在载具的相应侧并邻近下方的载具底部区域紧凑地布置在前、后四分之一节点1236、1230(图12B)中。
然而，无论使用ICE、EV还是混合动力推进系统，组成这些系统的零件(例如电马达、电池组和分布在载具内的相关电路)都可以在一个实施方案中作为COTS零件而获得。因此，常规平台的使用排除了制造商在工具和机加工设备上投资资本支出(CapEx)以从头组装这些结构的需要。图12B中的某些零件(例如挤压A柱上部1240)是弯曲的定制挤压件，其可以根据制造商提供的规格从供应商处获取，可以是3D打印的，或者可以作为例如碳纤维零件的COTS零件获取。如果在某些实施方案中有必要，制造商可以在厂内修改COTS零件。
图12A和12B所示的绝大多数部件是COTS零件，其中主要例外在于节点。例如，根据载具的类型和构造，区域1228包括3D打印的前四分之一节点。该节点可以部分地通过参考图13中描述的3D金属纹理1302并再次参考图12B的1228和1230来可视化。该节点可以与A柱下部(也在区域1238中)对接，其进而过渡到前碰撞结构1204(图12A)中，并且还为悬架、转向件、电马达、仪表板、脚部空间、上部结构、铰链、门开度限位前储物箱、边梁挤压件和门密封件(统称为区域1238)提供附接部。因此，平台架构产生影响以有利于制造商从供应商处获取这些零件作为COTS零件(一旦它们基于设计目标被适当地确定)，并3D打印节点以与COTS零件恰当地对接。
节点(例如，图12A，1206、1210；图12B，3D打印的前四分之一节点(1242)、B柱下部节点(区域1234)、3D打印的后四分之一节点(1230))可以是任何3D打印零件，其包括一个或更多个插口、接收部、凹部、空腔或其它接口，用于接受一个或多个部件，例如管材、挤压件和/或板件。节点可以具有内部特征，所述内部特征被配置成接受特定类型的部件和/或在不同接口之间引送流体或配线。替代地或附加地，节点可以设定形状为接受特定类型的部件。本公开的一些实施方案中的节点可以具有内部定位特征，以用于在节点的接口中定位部件。
在一些实施方案中，节点可以具有附加的特征和结构来实现特定功能。例如，一些节点可以包括独特的几何构造或材料成分，以用于处理载具的不同载荷支承区域。这些几何构造可以包括网格、蜂窝和其它类型的图案化结构。节点还可以包括一个或更多个通道，用于将粘合剂、密封剂或负压(真空)传送到一个位置以及从一个位置传送到另一位置。在其它实施方案中，多个节点可以被共同打印并且彼此邻近地定位在载具的期望部分中。
节点可以将电子电路或润滑剂从一个结构(例如，管)传送到另一个结构(例如，齿轮箱)。实现这些功能的节点的灵活性很大程度上来源于当前平台所基于的3D打印机的非设计特定性质。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序，可以生成3D节点的定制呈现，并将其设计为包括独特的形状、接口和其它细节。CAD模型然后可以被切片以提原始3D结构的供基于软件的层。切片模型和打印指令然后可以被提供给3D打印机。例如，在粉末床融合(PBF)打印机中，切片在打印机腔室中作为粉末层连续沉积在基底上。一个或更多个激光器或其它能量源可以基于定制指令选择性地融合每个层或切片，以渲染设计的节点。
节点可以是非定义节点，也可以是定义节点。下面更详细地描述定义节点。非定义节点为不是定义节点的任何节点。例如，参考图12B中的附图标记1242，其中该结构是3D打印的B柱至轨道并且其由此将B柱连接到上部轨道和顶篷，该增材制造结构在一个实施方案中为非定义节点，其功能是对接各种COTS的互连部。
再次参考图12A，1204先前被指为前碰撞结构。邻近前碰撞结构的是前舱1202。在载具的相反侧的是后舱1214，其例如可以用于货物。后碰撞结构1212在后舱1214的每一侧(类似于前碰撞结构1204，因为前碰撞结构设置在前舱1202的每一侧)。前拐角“转向”节点1206就在前轮后方。底板结构1208占据了底部的大部分。后拐角“驱动”节点1210占据了右前轮内的底板结构的外围。
图13示出了根据本公开的一个方面的各种示例性孔材料特征的概念图。
图13包括匹配纹理，用于确定图12A和12B的各种结构的材料。例如，1302是3D金属打印的，1304是高强度塑料，1306是低强度、低成本加工材料，而1308是COTS。
图12-13所示的复杂结构可以被增材制造，以受益于AM提供的非设计特定的制造能力。使用AM可以建立高度定制的结构。如以上指出的，AM可以用作某些常规技术比如使用商业现货(COTS)元件的补充，而不是替代。因此，在一个实施方案中，平台依靠大量的COTS零件来实现制造广泛的载具。
AM是一种有价值的资源，并且其使用是优先的；因此，利用COTS零件意味着可以有效地管理3D打印机上的任何优先级应激状态。在一些实施方案中，AM零件的质量和材料消耗可以通过在设计中包括COTS零件来得到最小化。COTS元件也可以是便宜且容易获得的。COTS元件通常具有公知的几何构造，其拥有易于取得的规格。因此，在可行的情况下，COTS元件可以理想地与增材制造结构一起结合在制造平台中。
COTS元件的使用也消除了原本在厂内生产和组装这些结构所需的机械和人力的资本支出。该平台在一定程度上取决于制造商可行地且及时地生产各种型号的能力。因此，获取COTS零件减少了在厂内构建相同零件所带来的资本支出，从而使COTS选项总体上可取。在一个实施方案中，某些COTS零件可以被获取并修改为提供定制设计。
根据平台增材制造载具的某些部段可以实现载具的模块化构造和组装。可以通过将多个分立系统或部件接合在一起形成一个载具来组装模块化载具。与常规载具不同，模块化载具提供定制的自由度。出于功能和美观的目的，复杂的零件和控制台可以被轻松移除，而新零件和控制台可以以直接方式得到添加。因为AM技术不是加工密集的，所以AM可以通过高效地制造各种定制设计来促进模块化系统的开发，所述定制设计维持与客户要求和需求的同步。
AM还提供模块化过程，其具有限定和构建复杂且高效的对接特征的能力，所述对接特征在模块之间限定隔断。这些特征可以包括凹陷、榫槽轮廓、粘合剂、螺母/螺栓等。实施在载具中使用的模块化设计的另一个优点是易于维修。模块化设计确保容易接近载具中的几乎任何部件。在碰撞的情况下，受影响的模块化区块可以被更换。区块也可以与其它区块或结构共同打印，以节省组装时间。这些区块可以进一步包含原位扫描和观察，以确保模块的精确接合和修复。
使用模块化设计方法，AM载具可以被组装为经由用于将部件附接在预期过渡处的良好定义的互连手段而集成在一起的3D打印部件和非打印部件(包括COTS部件)的集合。可以添加和移除个体部件，而不需要改变载具中的其它部件。配合剩余的非定义节点使用如下所述的定义节点实现了使用该平台构建的载具的模块化。
此外，模块化设计和组装方法使灵活的制造单元可以被构造用于组装。优点包括在组装期间减少对固定装置的依赖(最终完全消除)，与传统组装线相比更小的组装单元占地面积等。
在一个实施方案中，已经确定了期望的载具轮廓并且可选地映射出基本设计要求，制造商可以进一步将载具设计分解成多个部段。将载具模型分解成多个部段的一个原因是为了使制造商能够界定COTS零件或功能与非COTS零件或功能。分解的另一个原因是要了解每个部段中的零件将如何彼此对接或互连(如果有的话)。有了这些知识，制造商可以生产和组装定义节点，如下文更详细描述的那样。
在一个实施方案中，载具部段的数量可以等同于轮的数量，尽管这不是必须的，并且其它考虑方案可以决定更多或更少数量的部段更加合适。例如，在四轮载具的情况下，制造商可以选择分解成四(4)、六(6)个部段。每个部段都可以包括一个或更多个增材制造的零件，其可以被构造成与COTS零件对接，所述COTS零件包括例如悬架、轮、电马达、防撞梁、柱和底盘构件。因此，在该过程的这个阶段中，制造商可能考虑并确定可能将驻留在部段中的不同COTS结构，以及这些结构将如何与哪些零件互连。利用这些初步的信息，制造商可以进一步确定可以需要什么功能和几何结构来适应相关部段中的那些互连部中的每一个。
此外，制造商可能还需要考虑其它因素，其包括部段的各零件中的预计温度/压力、根据预计载荷估计的结构完整性和载荷支承能力、碰撞规格、材料属性、载具设计中的薄弱点和坚固点以及其它因素。有了这些信息，制造商可以对于一部段确定最佳结构或者子结构的集合，其可以根据确定的载荷和其它要求适应所有的必要互连部。从该分析中获得的信息可以用在该部段的AM节点的组装中。
虽然该平台包括整合CE架构(其可以使用本文所述的原理针对制造商的利益而生产)，但是ICE架构倾向于消耗很大一部分载具容积。因此，ICE推进系统在历史上一直是汽车制造的约束。相比之下，将电动载具(EV)推进系统与AM结构相集成显著地降低制造汽车的资本支出和复杂性。与占据载具的前部的大部分(以及由此对如何使用载具的空间设置了实际限制)的内燃发动机和系统不同，电马达可以设置成紧邻限定载具的周边的AM节点(下方)。
此外，如以上指出的，电池组可以放置在载具底部或底板中。因此，汽车的机罩区域可以被有效地清出来以用于其它用途。类似ICE发动机、变速器等，EV推进系统(例如电池、马达、配线)可作为COTS构件而取得，并且必要时可以简单地与AM结构和其它相邻COTS构件集成。在这些情况下，AM结构可以以容易容纳这些EV部件的方式制造。例如，为了匹配特定EV COTS零件的几何构造和接口，例如用于连接到载具的一组突起，对应的AM结构可以打印有完美对准的孔以接收突起，使得零件可以容易地集成在一起。将EV推进系统结合到平台中因此具有显著的优势。因此，对于使用EV推进系统的实施方案，该平台通过提供更多可用容积而赋予制造商在载具设计中的显著灵活性。此外，零件可以被快速获取和组装，并且AM的可用性以及CPTS零件的无处不在性意味着推进系统不必再成为载具制造的重要约束。
定义节点之所以如此称呼，是因为它们定义待制造的载具。在一个实施方案中，定义节点的位置可以由载具的内部容积要求来确定。例如，与大型轿车或SUV相比，在小型掀背汽车中，定义节点可能间隔更近(由于其小尺寸)。相反，在SUV中，对于沿着载具的一侧的节点和相反侧的节点来说，节点分隔更远。定义节点可以沿着载具的周边放置，以使制造商能够控制载具的内部容积。平台对定义节点的使用有利地消除了对载具零件的用于确定内部容积的昂贵加工的需求以及由这种前述努力而带来的CapEx。
一旦如本文所述确定了位置，就可以增材制造定义节点，并且使用本文所述信息和分析，可以将AM节点独特地构造为与COTS悬架部件、电马达、防撞梁、侧防撞梁、柱以及限定底盘和内部封装容积的其它板件或元件对接。底部还可以包括COTS板件，其可以在工厂被切割成期望尺寸。为电动载具供电的电池可以被封装并放置在常见的载具架构中，其被构造成与定义节点对接。复杂结构可以被增材制造，以受益于增材制造的非设计特定的制造能力。AM零件的质量和材料消耗可以通过利用COTS元件来得到最小化。增材制造载具的某些部段有利于模块化构造和组装。
图14示出了根据本公开的一个方面的分解成定义节点的示例性载具。
图14示出了使用上述原理确定的具有六个定义节点(1401至1406)的载具的示例性布局。使用定义节点的构思，载具可以被分解成多个部段。因此，使用图14作为示例性实施方案，待制造的载具可以被划分为六个部段1401-1406。在EV推进的情况下，每个部段可以包括AM零件，其可以构造成与悬架、轮、电马达、防撞梁、柱和底盘构件对接。如本文讨论的，将电动载具推进系统与AM结构相集成，可以显著降低制造载具的资本支出和复杂性。如已指出的，电马达可以紧邻AM节点放置。EV推进系统(例如电池、马达、配线等)可以作为COTS构件来取得并与AM结构和其它COTS结构集成。
在图14的实施方案中，四轮载具被分解成六个定义节点。这种架构类似于图12A和12B的实施方案中的载具，其也使用六个定义节点。例如，在图12B的侧视图图示中，B柱下部节点1234是定义节点。再次参考图12A，节点1和2以及5和6毗邻相应的轮槽。节点3和4与两侧的前门和后门之间的柱区邻接。
再次参考图14，定义节点位置可以由载具的内部容积要求来确定。例如，在图14的六节点载具中，定义节点的间距可能是介于较小的掀背汽车和较大的运动型多功能车之间的某个值。
在实践中，定义节点1401-1406可以整合各种功能，或者将类似功能分配在不同部段中。在一示例性实施方案中，定义节点包括连接在一起的多个增材制造的子结构。每个子结构都可以专用于特定的接口或功能。例如，定义节点1401和1402可以将流体和电路引送到其它COTS或AM零件或从其它COTS或AM零件中引送出。定义节点可以发挥附加的和不同的功能。例如，定义节点可以包括网格结构，以基于例如六部段载具预期在一段时间内承受的预计载荷来最大限度地增加强度-重量比。定义节点1401-1406或其部分也可以在几何构造上设定形状为向与其对接的镶板提供进一步的支撑并承受结构载荷。在一些实施方案中，定义节点可以包括两个或更多个共同打印的子结构节点，每个子结构节点用于根据预期构造与相同或不同的元件对接。
任何定义节点1401-1406可以使用不同的方法连接到载具。在一个实施方案中，3D打印的节点附接到底部板件或底板结构。定义节点(例如1401、1402、1404、1406)也可以连接到前碰撞结构和后碰撞结构。相同的四个定义节点也可以联接到悬架部件，比如控制臂和撑条。如以上指出的，定义节点还与许多或大部分COTS零件对接，所述COTS零件将驻留在与定义节点相关联的特定部段中。
从图14的图示中可以明显看出，一旦定义节点已就位，就知道了COTS的内部容积，并且明确限定了附加结构的相对位置。所有其它板件和零件然后可以相对于已知的定义节点1401-06定位。正是是因为大部分或所有这些零件都取决于定义节点的定位，所以该因素在载具的初始构造阶段可能特别重要。因此，在附加实施方案中，平台可以采用专用的自动化系统来校准和固定定义节点相对于彼此的位置。在某些实施方案中，机器人或其它自动构造器可以用于此目的。一旦定义节点被固定在组装固定装置上，并且它们的位置被测量为在预定的置信度之内，载具的剩余部分就可以作为一组模块化区块得以组装。该组装可以是手动的，或替代地，它可以部分地或整体地是自动的。
虽然平台的一些实施方案可以指示首先执行定义节点的设计和定位，但是在涉及EV推进系统的其它实施方案中，可以首先组装电池组。然而，一般来说，定义节点的设计和准备是优先的，因为在这些节点被定位和固定之后，大多数剩余任务都趋于就位。
用于连接到定义节点的板件和结构通常需要为了精度而进行机加工。该平台的一个显著优点是机加工任务可以由COTS供应商执行，而不是载具制造商。因此，制造商可以不必花费大量资本支出来为这些任务所需的工具提供资金。
在制造混合动力/内燃发动机(ICE)载具的情形中，内部容积要求可能考虑封装容积，以容纳ICE、变速器、驱动轴和在混合动力或ICE设计上独特的或更明显的其它部件。
图15A-C示出了根据本公开的一个方面的不同混合动力/ICE载具的示例，这些载具的内部容积要求可根据用于容纳特定载具的封装容积而不同。
图15A-C示出了不同载具的三个示例，其内部容积要求可能基于用于适应特定载具的封装容积而不同。特别而言，图15A代表一种基于ICE的载具，其具有纵向前发动机和后轮驱动。图15B代表具有横向发动机和前轮驱动的混合动力载具。图15C代表具有横向发动机的混合动力前轮驱动载具。在例如图15A-C中的制造混合动力/ICE载具的情形中，内部容积要求可能考虑封装容积，以容纳ICE、变速器、驱动轴和其它部件。
图15A-C的说明性示例示出了平台架构的许多或大部分优势也扩展到ICE和混合动力构造。虽然容纳发动机通常需要附加的容积，但不同构造可以在其它区域中节省容积。例如，在使用前轮驱动的情况下，图15A的驱动轴可以被取消。前发动机、混合动力发动机和横向发动机之间的发动机尺寸也可以不同。使用定义节点和AM来构造这些载具的平台架构的应用可以是独特的，并且为建立不同载具的大型组合增加了许多相同的优势。
定义节点可以包括连接到多个零件的连接接口。例如，定义节点本身可以分解成多个部件并相互连接。定义节点可以利用通过粘合剂实现的节点对板件连接特征来连接到仪表板和底板板件。节点可以使用机械紧固件连接到碰撞结构(前碰撞轨)，所述机械紧固件可以包括螺母、螺栓、螺钉、夹具或更复杂的紧固机构。节点可以利用粘合剂连接件、机械紧固件或两者的组合来连接到挤压件。增材制造定义节点能允许平台在打印完成时在不需要任何机加工或者需要最少机加工操作的单个制造操作中建立优化结构。
图16示出了根据本公开的一个方面的联接到载具的右侧乘客部段中的相邻部件的定义节点(虚线)的透视截面图。
图16示出了根据一个实施方案的联接到载具中的相邻部件的定义节点(总体上以虚线或环形虚线示出)的透视截面图。图16特别示出了载具的右前(乘客)截面，其中货物区在前部代替前内燃发动机。如上所述，该平台提供了确定并增材制造载具的基础区块(定义节点)1633的能力。在图16中，可以看到包括杂物箱的Cowl/IP电枢板件1604直接附接到定义节点1633。在该实施方案中，A柱上部1602由成型挤压铝制成。A柱上部1602限定了门部分的周边，延伸到顶篷，并且联接到更靠近载具边缘的定义节点1633。底板板件截面1616可以限定底板的整个区域或相当大的区域，并且可以以直接方式连接到定义节点1633，例如使用具有粘合剂的节点对板件连接件。该实施方案中的底板和仪表板是蜂窝夹层板件，其是常见的COTS零件。
前碰撞轨1622联接到定义节点1633，前货舱1624也是如此。在一个实施方案中，前碰撞轨1620由挤压铝构成。机罩密封凸缘1637是竖直凸缘，其沿随前货舱1624的顶部。撑条塔1635是定义节点1633的一部分，并且与前货舱1624和机罩密封凸缘1637对接。定义节点1633进一步包括节点材料减少板件1618，其可以是复合蜂窝夹层板件。仪表板1614以截面示出，并且也可以是蜂窝夹层板件。
Cowl/IP电枢板件1604可以与定义节点1633的竖直部分对接。还示出了前四分之一节点1606，其在该实施方案中是定义节点1633的一体部分，并且与该定义节点共同打印。邻近前四分之一节点1606的是门密封凸缘1608。朝向图的后部的是边梁1610，其可以由挤压铝构成。边梁包层1612连接到边梁1610。在一个实施方案中，边梁包层可以使用低成本加工来构造。
图16的定义节点1633在本质上是代表性的，并不旨在限制本公开的范围。例如，在其它实施方案中，连接到定义节点1633或以其它方式与定义节点1633相关联的这些部件中的许多可以被获取为COTS零件，或者替代地，它们可以被3D打印。在许多情况下，蜂窝夹层板件可以根据制造商的规格在供应商的设施进行切割和机加工。在又一些其它实施方案中，不同的零件可以与定义节点1633共同打印。此外，机加工和其它常规技术在构造比如边梁包层1612等部件中仍然可以发挥作用，尽管通常是更有限的作用。一般来说，使用本文公开的平台，可以设想大量不同的构造和实施方案，所述构造和实施方案主要依赖于3D打印的定义节点和COTS零件。
简而言之，一旦制造了节点，COTS板件、挤压件、管和其它零件就可以按照逻辑连接以形成与节点的对接。基于节点的模块化构造方法提供了实现多材料连接的能力，这对于满足汽车和其它复杂运输结构的强度-重量指标至关重要。此外，通过利用包括隔离器的节点来间隔并防止相异材料之间的物理接触，可以在被连接的电不相容材料之间提供电隔离。
该平台实现了用于制造多种载具的通用架构。该平台可以包括增材制造的定义节点，其可以与EV/混合动力总成部件、管、挤压件、板件、顶篷结构和其它部件组装。此外，该平台实现了乘员和货物的可用内部容积的最大化。通过利用定义节点并控制它们的位置，由单一平台实现的庞大产品组合是可能的。如以上指出的，所述平台还实现了建立更小占地面积的工厂来制造载具的整个组合。由于该平台依赖于增材制造和COTS元件之间的结合，其中常规制造技术的使用可能有限(如果有的话)，因此它可以实现在感兴趣的地理区域建立分布式生产单元，其被构造成并行运行，不受常规载具组装线上普遍存在的生产暂停的影响。
图17示出了根据本公开的一个方面的四个示例性产品组合。
图17示出了不同的产品组合，其可以使用本文描述的平台来构建，受例如底部构造和载具尺寸的因素来管控。图17具体示出了通过选择和定位AM定义节点而可能的四种不同类型的载具。图17中的载具排列成四列三行。每一列代表单个载具的三个不同视图。列1708示出了中型尺寸的运动型多功能车(SUV)。列1710代表大型轿车。列1712代表小型自动驾驶出租车。列1714代表大型SUV。行1706示出了列中每个相应的载具的底部。类似地，行1704示出了每个这样的载具的俯视图。行1702示出了每个载具的侧视图。
应该注意的是，所示的四个载具是可以使用当前平台实现的不同可能载具构造的小的代表。制造商不再由于常规组装线途径中的固有限制而受限于生产单个型号。在其它实施方案中，大型厢式车和多人载具可以使用本文描述的平台来组装。在又一些其它实施方案中，通过相应地定位定义节点，可以使载具宽、窄、长、短、高、低、或者处于这些参数的任何一个或全部之间的某处。
图18示出了根据本公开的一个方面的联接到载具的轮的定义节点的示例性构造。
图18是在转向/驱动构造中联接到轮的定义节点的代表性示例。空间1810是储物箱，并且代表了通过明智地封装EV元件而节省了用于货物的空间。蜂窝夹层板件1808被示出为延伸到接收构件1812中。节点1806的本体在一侧联接到前挡泥板件1802。在该实施方案中，节点1806的下部部分联接到具有集成电驱动的麦弗逊撑条悬架1804。可以看到电马达1814被紧凑地封装在底部中，并且封装在节点1806附近。根据载具的类型、推进的机构等，其它实施方案同样是可能的。
图19是根据本公开的一个方面的结构的侧视图，该结构包括具有连接特征的常规制造部件和具有互补连接特征的接口节点。
图19是结构1900的侧视图，该结构1900包括具有连接特征的常规制造的部件1902和具有互补连接特征的AM接口节点1906。部件1902被示出为铸造部件，但是通常部件1902可以使用适合于相对高产量生产的另一种常规技术来加工或制造。在其他实施方案中，部件1902可以使用例如DED的一般较高吞吐量的AM技术来制造。在示例性实施方案中，铸造部件1902包括大体积的铸铝或塑料块，尽管其他材料也是可能的。铸造部件1902可用于提供结合致密材料主体的结构，例如载具中的冲击结构。然而，部件1902不限于此，其他几何配置也是可能的。例如，铸造部件1902可以制成中空的，并且因此可以用作另一个零件的盖子，或者更复杂结构(例如齿轮箱)的外壳。
在铸造部件1902的边界区域1924处是连接特征1908和1910。在示例性实施方案中，连接特征1908和1910是铸造部件1902的一部分，并且与部件1902的其余部分一起铸造或加工。在其他实施方案中，连接特征1908和1910可以是其他部件的一部分，包括例如接口节点。在特征1908和1910被包括在部件1902内的前一实施方案中，连接特征1908和1910可以由相同的材料(例如，铝、塑料等)制成，并且在这种情况下，它们受到与该材料相同的热约束。在确定连接特征1908和1910是否可以用于包含大量热能的环境中时，可以考虑这一事实。通常，无论连接特征1908、1910是否是铸造部件1902的一部分，它们都可以连接到其他部件，包括标准AM接头、其他AM接口节点等。连接特征1908和1910是负特征，因为它们包括各自的凹槽1930a和1930b。因此，该实施方案中的连接特征1908和1910被配置成与使用正连接特征的互补特征接合。这些与连接特征1908和1910的预期接合由相应的箭头1920和1922示出。
图19还包括邻近铸造部件1902的边界区域1924的凹槽部段1932。因此，插入到铸造部件1902中的是用于提供到AM接口节点1906的连接的负连接特征。接口节点1906显示使用正互补连接特征(即，突出到凹槽1932中的榫)连接到铸造部件1902。通常，在该实施方案中，节点1906可由钛(Ti)或铁(Fe)或具有不同于铸造部件1902的铝或塑料的特性的一些金属或合金构成。在各种实施方案中，节点1906(以及本文所述的任何节点或铸件)可以由本文所述的任何合金形成。使用例如钛或铁的另一种化学元素可以允许接口节点1906具有用于特定应用的特别定义的热特性。例如，节点1906的熔点可能高得多，因为钛或铁的熔点显著高于铝。这使得接口节点1906能够保持其结构完整性，即使连接到具有高温的传输结构或其他机器的区域。此外，使用合适的AM技术，可以仔细控制节点1906的热特性。值得注意的是，在许多实施方案中，图19没有按比例绘制，并且铸造部件1902相对于节点1906可以比图中所示的大得多且体积更大。(在其他实施方案中，差异可能不太显著，或者它们的尺寸相当)。因此，不是构建包括这些热要求的整个大体积部件1902，而是将热特性结合到相对小的接口节点1906中。在该过程中可以节省大量的粉末。此外，昂贵的钛不需要被不必要地大量使用。
接口节点1906可以通过凹槽1932处的榫连接(如上所述)以及与接口节点1906接触的凹槽1932附近的部件1902的表面区域一起连接到铸造部件1902。包括凹槽1932的负连接特征可以通过适当的粘合剂与接口节点1906的互补正连接特征接合。在该示例性实施方案中，具有流体通道1916(仅示出一个)的精确流体端口可以被构建到接口节点1906中以供应粘合剂，并且在相对侧提供负压，以便促进粘合剂的分布和扩散。接口节点1906还可以提供密封剂凹槽1914a和1914b或类似结构，以提供密封剂来促进粘合剂的适当分布。此外，还可以在接口节点1906上的连接特征中加入间隔物或其他结构(未示出)，以防止当涉及某些不同材料时的电化学腐蚀。在另一个实施方案中，通道1916可以替代地是接口节点1906中的冷却通道网络的一部分，用于将流体输送到铸造部件1902和从铸造部件1902输送流体以带走热能。此外，接口节点1906本身可以由被配置成从铸造部件1902散热的材料构成。在这种情况下，接口节点1906可以由熔点非常高的材料制成，以适应与铸造部件1902的直接连接。
在该示例中，接口节点1906消除了铸造部件1902的复杂性。接口节点1906结合了复杂的热特征，否则这些热特征对于集成到铸造部件1902的至少一个区域中是必要的。这使得制造商不必对铸造进行改变，或者不必对所使用的任何常规技术增加必要的复杂性，否则这些任务会增加交付周期并降低产量。接口节点1906还结合了复杂的流体端口1916和其他可能的结构，以便确保对铸造部件1902的适当密封，从而减少或消除对铸造部件1902实施这些特征的需要。
接口节点1906在另一端还包括附加的负连接特征1912，其可以构成任何基于节点的连接。例如，连接特征1912可以被配置为将节点1906连接到任何合适的结构。例如，节点1906可以连接到连接管、板件和其他结构。此外，由节点1906和组件1902组成的结构可以是两个或更多个类似结构中的一个，或者是类似结构的网络，这些结构都可以通过类似于连接特征1912的连接特征连接在一起。
图19中所示的接口节点1906在其他实施方案中可以具有多材料复杂性，因为它可以用不同类型的材料3D打印，而且可以以不同比例打印，以服务于特定目的。在所示的实施方案中，节点1906可以合并有如本文所述情况中的热复杂性，其中可能期望较高的熔点以维持节点1906的结构完整性，并且该较高的熔点保护部件1902的结构完整性免受热源影响。然而，应当理解，在其它实施方案中，接口节点1906可以合并有其它功能、结构、和特征以及额外的连接特征(可以以其它方式具有，以包括在部件1902中)，以使得节点1906能够连接至许多其它标准的相互连接件。在这方面，接口节点可以将较多数量的复杂件合并到制造的部件中，而不必将它们渲染在后者中。这种能力在某种程度上利用了AM的优点，其避免可能的大量的复杂机加工，否则在构造这些传统制造或高产量制造的部件中可能必须执行这些复杂机加工。进一步地，在一种示例性实施方案中，因为对于合并有大体积的传统制造的部件不必使用3D打印机，而只需要对节点本身使用AM，所以在AM工艺中可以节省时间和材料。因此可以获得较高的制造产量。
另外，接口节点上的连接特征和铸造部件上的由凹槽1932限定的连接特征不必是榫舌与凹槽结构，并且其它的连接特征可能同样适合。例如，替代实施方案中的连接特征1912可以包括一对管状的突出部，这些突出部具有内径和外径，较小的突出部在较大的突出部内部，以能够连接至碳纤维连接管，从而通过接口节点1906将连接管联接至铸造部件1902。更一般地，在接口节点的连接特征1912目前所处的端部上可以合并特征，以能够连接至任何其它的部件，所述其它的部件包括例如挤出部、其它节点、其它铸件等。在一个实施方案中，本文描述的多个节点铸造接口可以用于形成运输结构的底盘。在该实施方案中，部件1902的类型可以在载具的区域之间变化并且可以不在不需要的地方使用。在其它实施方案中，单个接口节点可以包括多个接口1912，以用于多个连接。
图20是根据本公开的一个方面的接口节点的透视图，该接口节点使用接口节点上的公连接特征联接到发动机缸体。
图20是接口节点2006的透视图，该接口节点2006使用接口节点2006上的公连接特征联接到发动机缸体2002。在该示例性实施方案中，接口节点2006包括四个锋利突出的构件形式的公连接特征2050(三个可见)，该锋利突出突出的构件可以相应地联接至发动机缸体2002上的相应的母连接特征2010。在一个实施方案中，可以使用铸造模具来构造发动机缸体2002，并且该发动机缸体包括外壳以容纳运输结构的发动机。在该实施方案中，发动机缸体2002一般可以使用任何非3D的打印方法来构造。在某些情况下，发动机缸体2002可以分部段地制造，所述部段焊接或以其它方式连接在一起。
相应地，可以使用较高产量的PBF技术中或者一般任意合适的高精度AM技术(无论在本公开中是否确认)中的一种来制造接口节点2006。在该示例中，接口2013的尺寸与通常将用于运输结构的尺寸相同，该运输结构具有例如可比较的发动机和变速零件。也就是说，与接口节点的远离接口2013的其它部分不同，该接口2013的尺寸将不减小。接口节点2006还包括接口2022a-b和高精度的螺纹接口2024，其可以是用于连接至其它接口节点、链接节点的连接特征，其继而可以连接至其它部件(例如动力传动系统、变速器等)。在合适的实施方案中，可以使用链接节点。
在一个实施方案中，接口节点2006包括增强结构2015的网络，其用于将接口2013牢固地附加至剩余的连接特征2022a-b、2024。在一些实施方案中，增强结构2015的网络和连接特征2022a-b与2024的尺寸可以大幅减小，以适于高产量(相对于接口节点2006的制造)生产。增强结构2015的网络的几何形状将由拓扑优化决定，并且这些几何形状将利用增材制造加工复杂结构的能力，否则使用传统制造工艺将难以加工或不可能加工所述复杂结构。在该实例中，也可以相应地减小其它接口节点或结构，该其它接口节点或结构可以通过连接特征2022a-b与2024中的一个或多个连接至接口节点2006。在一个实施方案中，可以在所述接口节点的接口外部的任何区域中进行减小，该减小不以消极的方式物理影响部件的功能。
在一些构造中可能期望的是：在材料不同的情况下，在传统制造的部件与接口节点之间提供隔离。隔离可以协助防止电化学腐蚀，否则由于每个结构所用材料的电势不同，可能发生电化学腐蚀。因此，一个示例性实施方案可以包括用于实现期望间距的结构。
图21A是根据本公开的一个方面的链接节点的透视图，该链接节点被配置成联接到两个接口节点，该接口节点被组装用于联接到相应的跨越部件，作为形成例如底盘的结构的基础。
图21A是链接节点2113的透视图，该链接节点2113设置成用于连接至两个接口节点2106A与2106B，这些接口节点2106A-B进一步设置成用于联接各自的跨越部件2116(图21A中只示出一个)，该跨越部件2116是作为用于形成较大的集成结构如底盘的基础。如下所述，在该实施方案中，接口节点2106A具有连接特征，这些连接特征包括三个孔2120和螺栓2118，所述接口节点2106A在其底部还具有尺寸且形状合适的平坦表面，该平坦表面基本平行于链接节点2113的平坦表面2151。接口节点A的螺栓2118和孔2120构造成，与内嵌在链接节点2113的表面2151中的对应的孔2122螺纹连接。因此，在该实施方案中的接口节点2106A牢固地螺纹连接至链接节点2113。在接口节点2106A的远离孔2120部分的相对侧处，包括粘合剂流入端口2142和真空端口2144的连接特征沿着额外的圆形连接特征2153布置，该圆形连接特征2153设计成与例如碳纤维增强聚合物(CFRP)连接管的跨越部件(未示出)对接并与之联接。
与螺纹连接对比，接口节点2106B构造成通过双剪(节点-节点)连接而与链接节点2113结合。更具体地，接口节点在其底部包括一区域，来自链接节点2113的突出部可以插入到该区域中(图21B)。链接节点2113包括凸缘2104形式的突出部。凸缘2104可以与O形环2108和2109(或其它密封剂)组合，以能够与接口节点2106B的更复杂精巧的连接特征强力连接(见图21B)。在接口节点2106B的远离与链接节点2113对接的接口的另一端部处，接口节点2106B进一步包括内部部分2127，该内部部分2127可以包括用于延伸到接口节点2106B外的圆形突出部2114的底部。内部部分2127和圆形突出部与粘合剂流入端口2112和真空端口2110一致，使接口节点2106B能够与跨越部件2116形成牢固的粘合剂结合(同样见图21B)。
接口节点2106A-B分别包括轮廓2144A-B，这些轮廓被充分精简以接收并支撑跨越部件如管2116、同时限定接口节点2106A-B的不大于必需尺寸的物理尺寸。因此，这些接口节点2106A-B被设计成紧凑且特征丰富并且仅具有容纳由其高精度特征执行的功能所必需的尺寸，如图21B中进一步所示(下面讨论)。在一个实施方案中，跨越部件2116是碳纤维增强聚合物(CFRP)连接管，其构造成使用密封剂和粘合剂来与接口节点2106B形成链接。一般地，粘合剂流入端口和真空端口2112、2110使得粘合剂能够流到接口节点2106B中，以(i)将跨越部件2116固定至接口节点2106B，并且(ii)将接口节点2106B固定至链接节点2113。因此，端口2112和2110构成用于在接口节点2106B的对置端部处的两个接口的连接特征。虽然使用不同的方法连接到链接节点2113，但是接口节点2106A-B继而通过链接节点2113彼此连接并且还连接至可以连接至任何结构的任何其它部件。
链接节点2113可以包括增强金属材料的长形部段2150以及其它形状，这些其它形状可以设计成能够强力结合所连接的元件主体并将载荷适当地传递穿过所述元件主体。链接节点2113可以通过快速(虽然一般更低精度)的AM工艺如DED来产生。因此，在制造工艺中可以使用不同的金属，例如本文所述的任何合金，使得链接节点2113可以在本质上包括承载强度，并且由于其材料强度，该链接节点还可以是接口节点2160A-B的可靠连接器。
图21B是根据本公开的一个方面的图21A的上接口节点的正截面图，示出了与跨越部件和链接节点的相应连接。
图21B是图21A的上部接口节点2106B的正截面图，其示出与跨越部件和链接节点的相应连接。图21B首先是示出了接口节点内部的截面图，变得明显的是：复杂精巧的高精度特征(包括连接特征)已经变得紧缩到接口节点2106B中，而不是链接节点2113的基本上较低精度的特征(例如，凸缘2104)。
参考图21B，在图的底端开始示出了2158表面的剖面图。设置有内径2160。该内径2160可以用在其它实施方案中，所述其它实施方案用于将配线或其它材料从连接管2116传递穿过接口节点2106B并进入到链接节点2113中。返回参考本实施方案，也可看到圆形凸缘/榫舌2104的侧边向上突出到所连接的上部节点2106B中。在通过单独的后处理操作制造了链接节点之后，可以机械加工凸缘/榫舌2104。值得注意的是，链接节点2113的连接特征简单，同样可以在接口节点2106B中找到较高精度的特征。另外，在凸缘突出部之间可以看到两个圆形的O形环(在该截面图中示出为圆圈)。在截面图中还可以看到节点2106B的内部突起2114；该内部突起2114事实本质上是具有变化的部分圆柱形。外部结构2170一般围绕节点2106B并且其几何复杂性部分地来自增强并支撑流入端口和真空端口2112和2110的功能并且提供强承载表面。
如所述，在该视图中容易看到粘合剂流入端口2110和真空端口2112。该视图的一个重要方面是纹理2132，该纹理限定填充在内部突起2114与2170的内部之间的粘合剂，该粘合剂通过粘合剂流入和真空的作用圆形地分布在整个内部中。粘合剂2132示出为流向该表面的底部。例如2132a限定粘合剂已经使圆形凸缘的两侧饱和并由O形环2108和2109进一步运移而密封的区域。以这种方式，粘合剂在接口节点2106B的凸缘2104与节点2106B的内部部分A之间形成强的结合，所述节点2106B配置成具有用于粘合剂的空余空间地装配在凸缘2104周围。
在图21A的顶部可以看到跨越部件2116，在该实施方案中，其为碳管。该碳管在内部突起2114的上面插入到节点2106B的内凹B的底部处的圆形密封剂或O形环上，碳管2116插入在内凹B中。可以在内部突出部的上部部分周围布置额外的密封剂或O形环2180。O形环2136和2180用于防止流体粘合剂运移到内凹B外并因此运移到节点2106B外或进入碳管2116的内部。然而，在管2116和内部突起2114之间的内部区域具有填充有粘合剂的大表面区域。固化时产生在内部突起2114与管2116之间的强力结合。
如图21A与21B的实施方案所示：接口节点2106B的上部接口和下部接口的连接特征(比如内凹A和B、复杂增强的粘合剂流入端口和真空端口2112和2110、以及接口节点2106B的内壁的增大表面面积的复杂形状、内部突起与密封剂)展示了接口节点的既复杂精巧又精简的功能本质，并且尤其是对于粘合剂的恰当流动理想化的几何形状复杂性基本上与链接节点2113的更加直接的功能和特征区分开。这些特征有利地允许接口节点实现多材料架构。进一步地，该实施方案中的接口节点2106B在保持接口处的必要尺寸的同时比链接节点紧凑得多。因此，对于设计独立的使用高精度的粉末床熔合技术的生产来说，接口节点2106B与类似的节点2106A可能是理想的候选方案。包括一些低精度的特征和功能的链接节点2113可以被机械加工或铸造或者替代地可以使用高速低精度的AM技术如DED来生产。
虽然为了本示例的目的示出了两个接口节点，但是在其它实施方案中可以使用多于两个的节点或其它端口。
图21C是根据本公开的一个方面的链接节点的透视图，该链接节点经由接口节点联接到碳纤维管，并且使用隔离联接耦合到高产量制造部件。
图21C是链接节点的透视图，其通过接口节点联接至碳纤维管并且使用隔离特征联接至高产量制造的部件。在该示例性实施方案中，链接节点2186具有三个连接。两个用于接口节点2188A-B，而剩下的一个用于铸造部件2190。碳纤维管2192是跨越部件，其可以在另一结构比如另一接口节点(未示出)的一个端部处联接。管2192通过粘合剂结合连接以关于图21B所讨论的方式连接至AM接口节点2188A，粘合剂流入端口和真空端口2195有利于所述粘合剂结合连接。
接口节点2188A进一步包括3D打印的连接特征2197，在该示例性实施方案中，所述连接特征2197包括具有高精度螺纹的用于连接至链接节点2186的圆柱形突出部。因为链接节点可以包括较低精度特征，但是其通常能够包括高精度特征如用于与连接特征2197配合的精细的螺纹，“卡式螺母”式螺母”示出为内嵌在链接节点2186中。螺母2193可以是3D打印的或者是现成的标准零件。在一个实施方案中，链接节点2186是3D打印的，其中卡式螺母2193放置在内部。当在打印链接螺母2186时，合适的支撑被打印在卡式螺母2193的周围。接口节点2188A的连接特征2197因此可以插入到卡式螺母2193中，并且因此接口节点2188A可以紧固地与链接节点2186结合在一起。在另一个实施方案中，对于合适的打印机，卡式螺母可以与链接节点共同打印。
图21C进一步示出接口节点2188B，其与先前视图中的接口节点2108B类似。使用粘合剂流入端口和真空端口，接口节点2188B可以通过强力固化的粘合剂结合与碳纤维管2191在上侧结合，并且该接口节点2188B在下侧具有链接节点2186的所设置的连接特征(视图中被遮挡)。在一个实施方案中，该连接为双剪粘合连接，其中具有内嵌在接口节点2188B中的复杂精巧的连接特征，如之前的实施方案中所示。在其它实施方案中，该连接可以是螺栓连接。可以预期多个其它类型的特征来实现在接口节点与链接节点之间的结合。在一个实施方案中，相应的接口节点和链接节点可以包括可以焊接在一起的连接特征。在所示的实施方案中，碳纤维管2191和2192定向为相对彼此基本正交。
另外，图21C示出了链接节点2186结合至铸造部件2190，该铸造部件在一个实施方案中可以是内板件或外板件。部件2190可以是大的并且还可以包括基本的结构功能和特征。例如，部件2190包括内凹部分2190A，该内凹部分2190A可以包括用于部件2190的连接特征。链接节点2186可以结合至部件2190。替代地，链接节点2186可以焊接或螺栓连接至部件2190。在其它实施方案中，链接节点2186可以联接至额外的接口节点，该额外的接口节点用于创建与部件2190的连接。在该图示中，链接节点2186的几何形状使得其下部2198基本跨越由内凹2190A限定的区域。在一个实施方案中，隔离构建2194布置在由链接节点2186限定的接口与铸造部件2190之间。隔离构件2194的目的是在链接节点2186和铸造部件2190由不同金属构成的情况下避免直接接触并防止材料的电化腐蚀。粘合剂可以施加在隔离构件2194的各部段之间，或者在其它实施方案中施加在其相应的表面上，以能够在链接节点2186与铸造部件2102之间实现强力结合。在其它实施方案中，该结合可以通过使用各种连接特征中的一种来替代地实现。在另一些实施方案中，接口节点中的一个或多个可以直接联接至铸造部件。
在另一个实施方案中，在粘合剂的施加与固化之前，隔离特征2195可以插入到链接节点2186与部件2190之间，以在链接节点2186与铸造部件2190之间提供空间，以便避免两个零件之间的物理接触，从而避免如果金属不相同时的电化学腐蚀问题。另外在一些实施方案中，密封剂和其它特征如用于固定装置的间隔件可以合并到链接节点2186中和/或部件2190中，以在间隔和隔离过程中使用。所有的这些步骤可以有利地帮助防止在结构的子结构(节点和部件)中使用的具有各自不同的电极电势的不同材料的情况下的电偶腐蚀。
在一些实施方案中，可以使用由3D打印机渲染的非对称形状来3D打印接口节点，以适应运输结构或其它机械装置内的特殊空间。
在如上文所述的实施方案中，图21A-C中的技术可以涉及载具底盘中的材料的使用。DED生产的链接节点可以实施在拓扑优化工艺决定的载具部段中需要的用于链接部件的材料的任意位置。可以使用如上文所述的各种零件来分解程序的决定和随后的制造工艺。即，可以使用更快的AM方法如DED或非3D打印的方法来制造较大的低复杂性的结构，而可以使用高精度的AM工艺以减小的尺寸制造较复杂的结构。后者的这个过程可以生产接口节点连同必要的连接特征。如本文的实施方案和附图中所述，在不用外界大块材料的情况下生产实施方案中精简的紧凑的接口节点，可以在有助于高精度接口节点的同时，允许高效材料消耗，这继而导致了较短的打印时间。还可以使用多材料构架来达到设计区域中所需的高强度轻质结构的程度。例如可以使用DED来打印使用不同金属的链接节点。可以通过选择性地使用具有接口节点的链接节点来在载具中实现并实施这些多材料的连接。如本文在图21A-C中所述的，可以连接至链接节点的接口节点还可以连接至跨越部件如碳纤维管，以形成具有所期望的机械性能(刚度，扭转刚度，碰撞优化)的轻质底盘。还可以通过使用这种方法来定制载荷路径和它们的特性。
这些过程与传统仅依赖于传统制造技术形成对比，所述传统制造技术通常特征为显著的工具与机械加工成本以及不必要的额外的生产周期。而且在许多情况下使用传统的过程将造成不可能制造出如下的底盘，该底盘最接近地与用于最优载荷路径分布的理想结构相匹配。相反，接口节点和链接节点通过能够精确实现载荷路径与相关底盘特征而从增材制造的非设计特定的特征中受益。
作为另一种示例性应用，运输结构利用了使用传统工艺(冲压，挤压等)制造的碰撞部件。代替这些传统过程，基于接口节点的基础结构可以用于实施基于复杂连接的对应于优化载荷路径的几何形状。与其将大量的时间与金钱投入到将这些部件机加工成符合所需的优化拓扑中，不如可以替代地使用相对简单的几何形状通过任何高产量的传统方法或高产量的打印方法来获得该部件。然后这些部件可以通过接口节点连接以用于实施最适合的最优载荷路径，以应对碰撞的性能。
本文的原理和技术进一步向制造商提供了使用传统工艺生产简单零件和使用AM工艺生产合并有零件复杂性的节点的能力。在如本文所述的铸造零件的示例中，铸造是工具密集的制造工艺。另外如本文所述，加工具有复杂特征的铸造零件(机械增强件、冷却通道等)是困难的。使用AM接口节点可以在节点上或替代地在节点内开发出复杂的特征，这使得设计者能够保留传统制造特征的相对简单性。
在另一个实施方案中，AM接口节点可以被用来增大承受高载荷的区域中的机械增强件。因此，如果铸造零件和接口节点被指定成放置在可以承受显著重力载荷和其它力的区域中，那么除了铸造零件之外，接口节点可以被渲染成提供额外支撑以抵消这个载荷。
图22A是根据本发明的一个方面的联接到接口节点的铸造钟形壳体的透视图，该铸造钟形壳体被配置成从发动机缸体散发热能。
图22A是铸造钟形壳体2210的透视图，其在输出驱动轴的情况下联接至接口节点2206。环绕壳体2210的接口外周的接口节点2206可以构造成用于消散来自发动机缸体2220的热能。在图22A中，钟形壳体2210的大部段可以使用传统工艺如铸造来制造。在一个实施方案中，构成铸造壳体2210的材料是铝，然而其它材料是可能的。
在图22A的示例中，铸造钟形壳体2210用作一个部件，因为它是壳体(即齿轮箱箱体)，但它还包括链接至轴2230的另一端部的另一部件并将载荷传递至该另一部件的载荷运载能力。因此，铸造钟形壳体2210可以被认为既是部件又是链接节点。
AM接口节点2206可以连接在钟形壳体2210的开放端部上。接口节点2206围绕钟形壳体2210的端部，且用指状构件2215覆盖该端部部分。接口节点2206包括用于连接至发动机缸体2220的标准尺寸的接口2214和多个螺纹螺栓2225，所述螺纹螺栓2225至少部分地用于钟形壳体2210和发动机缸体2220的连接特征。在该实施方案中，螺栓延伸到围绕发动机缸体2220接口的可见通道中。在其它实施方案中，接口节点2206可以通过例如榫舌与凹槽连接、结合、焊接或其它合适的连接特征联接至部件2220。
接口节点2206还可以被制造成具有设计成用于消散热量的特征。例如，接口节点2206可以构造成具有复杂的冷却通道网络。在该实施方案中，指状构件2215从钟形壳体2210的端部周界处延伸并围绕该周界，该指状构件2215可以帮助从节点主体2206处传递由于连接至热源(发动机缸体2220)而积累的热量并且消散该热量。由于构件2215，温度梯度可以变得更易于管理，因为与没有构件2215的节点2206与热源的齐平接触相比，增加的表面积提供了改善的传热特性。
在其它实施方式中，接口节点2206可以将其它复杂精巧的特征合并至支撑工艺如焊接、机械紧固、粘合剂结合等，以固定与接口节点2206的连接和与发动机缸体2220接口或其它通道的连接，所述接口节点固定至所述其它通道。
图22B示出了根据本公开的一个方面的联接到铸造变速箱端部的接口节点的透视图。
图22B是联接至铸造变速器箱2205的端部的接口节点2206i的透视图。接口节点2206i包括：多个增强结构2228，这些增强结构在外围绕着变速箱端部延伸；连接特征2288如凸缘或内部螺纹构件，该连接特征用于能够通过杆连接至其它部件的驱动轴。接口节点2206i的增强结构可以帮助在变速箱2205与连接特征2288之间提供强力连接。接口节点2206i进一步包括指状部分2291。部分2291可以用来提供用于确保接口节点与变速箱2205的连接的额外表面区域。替代地，接口节点2206i可以借助于粘合剂、使用构建在接口节点内的粘合剂和真空端口以及通道(未示出)连接至铸造变速箱2205。如所指出的，可以操作指状构件2291以提供与变速箱2205的更强力的结合并消散热能。在其它实施方案中，接口节点2206i可以包括额外的特征。在一个实施方案中，增强结构2228在尺寸上大幅减小，然而与变速箱2205的接口保持基本相同的尺寸。
在一个示例性实施方案中，传统地用在部件上或与部件相关联的复杂或高精度特征可以替代地合并到接口节点中。这些高精度特征可以包括几何形状复杂性和结构复杂性，比如用于将部件与接口节点联接的各种连接特征。
更一般地，这些高精度特征可以各自地或与其它元件协作地包括：举例来说错综复杂的形状、子结构、或者布置在零件上的或集成在零件中的图样、多个弯曲区域或多个其它设计执行一个或多个功能的复杂形状。示例包括：传统上与机器、马达、或其它机械装备及机械组件一起使用的结构；专用的零件如定制的板中的特征；材料或材料组合，其组织成特定形状以执行预定的功能；重复的图样如链节网络、杆网络、轨道网络、指状件网络或其它有意设计的子结构阵列网络；集成在零件上或零件内的小的或微小的结构和特征；以及精细调制的材料，其以连贯的或有意义的方式组织，以执行指定的功能。几何形状上的复杂特征还可以包括结构更新、升级、强化、或在零件之间需要改变的特征，以及包括例如零件之间的设计改变或形状改变的特征或子结构。这样的特征或结构可能在铸造应用或模制应用中存在产量困难，因为例如可能需要不同组的工具外壳以在每个零件上提供所需的变化。结构上的高精度特征还可以包括电子电路和电子元件如感应器、线圈、和电容。这些特征还可以包括集成的电路、处理器、电子设备、物理输入特征(例如一个或多个开关)、用户接口、显示器等。
这样的高精度特征可以进一步包括安装的固定装置、专用凸缘、竖直和水平螺纹安装板、浮动螺母、夹具、螺钉和其它固定装置，所述其它固定装置包括可以分布在结构上的并且在设计中可能需要仔细定位的额外细节或特别精细的几何形状。虽然部件和链接节点可以包括凸缘、板、螺钉和其它特征，但是一般地接口节点提供了具有更高的复杂精巧性、更小尺寸、专用或定制的子结构、以及独特的依赖设计的特征的结构。此外，接口节点可以以紧凑的方式提供上述结构，其具有紧密的3D空间余量，比如图21A-B中的接口节点。
高精度特征还可以包括子结构其几何形状适合或能够进行有意的旋转或平移运动的子结构，该子结构集成在结构内或设置在结构外或者两种情况均有。如本领域普通技术人员通常显而易见的，在普通特征需要精确放置的情况下或者它们被集成到其它类型结构的更复杂的阵列中的情况下，这些普通特征可以是高精度的。例如，高精度特征可能要求严格的公差要求，例如涉及必须相对于彼此以精确限定的角度或距离定向的零件。零件也可能需要相对于彼此在精确的范围或距离处定位，以便适当运行。这些零件可能需要使用单独的机加工技术或精密AM技术制造。
通常，在包含特征的零件在实践中不能使用用于生产该零件剩余部分的相同制造工艺、以可接受的高产量(相对于应用)来制造的情况下，这些特征可以是高精度的。例如，当载具齿轮箱可以使用传统的铸造技术加工时，用于向铸造零件的特定限定区域提供粘合剂或负压的内部通道可能必须使用另一种方法单独构造，以实现成品齿轮箱的所需产量。
高精度特征的示例还可以包括具有特殊材料要求的结构。例如，结构的某个区域可以由特殊类型的材料或不同材料的组合组成。根据结构的几何形状、结构与邻接结构的载荷特性、以及与结构所用于的应用相关的其它考虑因素，结构的不同区域可能要求使用不同的材料。
涉及可能损害生产量的材料性能的高精度特征可以包括刚性、弹性、延展性、韧性、硬度、耐热性、抗腐蚀性或抗污性、质量、物理稳定性，或者化学反应性或其抗性中的一种或多种。各种特征的精度水平还可以包括：该特征要求特定热特性的程度和方式，所述特定热特性包括不同的熔点、相变的热控制期望的热容等。
图23示出了根据本公开的一个方面的增材制造的微管热交换器的侧视图。
图23示出了增材制造的(AM)微管热交换器2300的侧视图。在各种实施例中，热交换器2300和本文所述的任何热交换器或微管阵列可由本文所述的一种或多种合金形成。AM微管热交换器2300包括在接口2305处集成的封头2302和微管阵列2303。封头2302具有封头部段2308和封头部段2310。封头部段2308具有入口/出口端口2304，并且封头部段2308具有入口/出口端口2306。分隔壁或分隔器2307可以将封头部段2308与封头部段2310隔离，从而将封头部段2308的流体与封头部段2310的流体隔离。
不同于使用金属片构造的金属钎焊管来成形并固定封头的常规工艺，增材制造封头2302以及分隔器2307允许封头部段2308和2310之间的流体密封分配。有利地，这可以允许不同的流体在封头部段2308和2310中流动。允许流体在同一结构中被紧密地聚集在一起的结构可以使质量降低，并因此实现改进的热传递效率Eff。
微管阵列2303具有隔离成第一微管阵列2312和第二微管阵列2316的多个微管。来自第一微管阵列2312的微管可以承载第一液体或流体，并且来自第二微管阵列2316的微管可以承载第二液体或流体。例如，包括微管2314的微管可以承载比如油的液体，并且包括微管118的微管可以承载比如水基冷却剂的液体，但是根据应用可以是许多其他流体。
如本文所描述的，可以使用AM微管热交换器来制造封头2302，使得其与微管阵列2303集成。这可以在没有传统钎焊技术的情况下实现，并且封头2302可以构造为用于流体的流体分配歧管。
AM微管热交换器可以通过将热量交换至垂直或大致垂直于微管流动的空气来冷却在微管阵列2302的微管内流动的流体。例如，如图23所示，可以迫使空气流经由入口/出口端口2306和2308沿由空气流向量2313指示的方向流动。替代地，空气流的方向可以与空气流向量2313的方向相反。这样，热流体和冷流体在错流构型中被隔离(不混合)。
尽管AM微管热交换器2300示出了具有两个封头部段2308、2310的封头以及第一微管道阵列2312和第二微管阵列2316，但是其他构型也是可行的。例如，AM微管热交换器可以制造成具有多于或少于两个封头部段的封头；并且可以隔离更多或更少的微管阵列来承载不同类型的液体。此外，通过利用3D制造工艺，封头2302可以具有任何所需的高性能形状的内部腔室(未示出)。例如，封头2302可以形成为三角形形状或具有三角形特征。
封头2302可以在接口2305处由基板(未示出)增材制造。这样，封头2302可以与微管阵列2303一起增材制造成连续的。
图24示出了根据本公开的一个方面的微管阵列的截面图。
图24示出了根据一个实施方案的微管阵列2400的截面图。微管可以成行和成列(包括列2406)地布置。如图24所示，微管截面2416位于第一行和第六列，并且微管截面2496位于第九行和第六列。此外，可以在微管之间形成翅片。例如，如图24所示，在微管截面2412和2422之间形成翅片2411。在示例性实施方案中，翅片2411可以从基板延伸直至微管2416的表面。翅片2411可用于通过微管阵列更有效地传递热能。翅片2411还可以用于在AM工艺期间为微管2416提供结构支撑。在某些实施方案中，除了或代替第6列中所示的直线构型，翅片211可以对角地设置在微管2416之间。该替代实施方案在更复杂的3D打印布置(包括热交换器在打印时相对于构建板以一定角度定向的情况)中为微管阵列提供额外的支撑。
微管可以布置成平坦腹板，其连接平行于内部流动的液体的流动路径布置的管之间的分隔距离。这可以有利地允许支撑材料连接至被称为基准行的行，以在增材制造工艺期间提供支撑。
在一些实施方案中，微管可以制造成使得微管或管轴线大致平行于由于重力引起的力；在其他实施方案中，微管可以制造成使得微管或管轴线大致正交于由于重力引起的力。当以管轴线正交于重力来制造时，微管可以布置成使得它们固定或回接(tied back)到基准(单一支撑)行。当以管轴线平行于重力来制造时，微管可以是独立的。
在其他实施方案中，行和列可以使用简单的线性向量来定位，从而允许简化的分析和设计程序。提供集成支撑结构的行和列的构型也可以比在与重力向量大致正交构造时需要额外材料的构型更轻。此外，中空梁元件可以是流体通道，并且适当设计的单位单元可以横跨跨距传播并传送流体。有利地，增材制造封头(例如图23的封头2302)可以允许封头是微管阵列2400的连续部分。这可以允许改善的流体流并改善与微管的密封。例如，不同于将封头与微管连结的传统钎焊技术，AM封头至微管的密封可以是均匀的且泄漏较少。AM工艺可以通过单步工艺(例如选择性激光熔化)实现。这进而可以导致管堵塞更小、管结垢更少、并且热交换器性能整体提高。
图25示出了根据本公开的一个方面的微管阵列的侧面透视图。
图25示出了微管阵列2500的侧面透视图。微管阵列2500可以包括形成与图23的微管阵列2303和/或图24的微管阵列2401类似的微管阵列的微管。微管阵列2500可以用基板2502固定，并且可以具有包括微管2506和2508的多行和多列微管。
有利地，3D打印允许通过创建集成密封来实现微管阵列的优异紧凑制造。集成密封允许创建具有比传统钎焊技术创建的微管阵列更小的质量的AM微管阵列2500。这进而可以允许热交换器效率Eff提高和表面传递面积增大。
图26A示出了根据本公开的一个方面的微管的侧面透视图。
图26A示出了微管2600a的侧面透视图。该侧视立体图示出了用于建模目的的设计参数长度L。通过对微管2600a建模，可以在3D打印之前分析微管阵列。
图26B示出了根据本公开的一个方面的微管的截面图。
图26B示出了微管2600b的截面图。微管2600b示出了由于微管的厚度而形成的环的直径d1和直径d2。如图26B所示，环的直径d2大于直径d1。直径d1和直径d2都可以设计和增材制造成允许提高热交换器效率Eff。例如，在一些实施方案中，在微管2600b中，直径d1可以小于或等于1mm，直径d2可以小于或等于1mm，并且/或者直径d1和d2都可以小于或等于1mm。在一些实施方案中，管长度L与直径(d1或d2)之比可以在三百比一到一千比一之间。
图27示出了根据本公开的一个方面的载具增材制造(AM)的透视图。图27示出了用于载具模型2700的基于外骨骼的框架结构，其中可以呈现宽AM策略的一个示例性实施方案。参照图27和图28更详细地讨论了外骨骼框架。外骨骼框架以及本文所述的其他结构可以由本文所述的一种或多种合金形成。图27示出了在一个示例性AM实施方案中，载具的简单“箱”部段可以用挤压件代替，而大型剪切板件可以用蜂窝板件代替。因此，在图27的示例中，可识别前夹具模块2702，其包括冷却模块、保险杠梁、机罩闩、灯以及与载具前部的通用区域中的这些功能相关联的其他部件。可以将前夹具模块2702的模型设计并存储在数据库中，并且随后检查其与其他模块的关系。撞击结构2704可包括单件式驾驶室、挡泥板和邻近碰撞结构。当将撞击结构2704记录为模型的一部分时，设计者可以继续指定模块化关系以用于载具模型2700的后续集成。
挤压件2706可用于载具上的横跨区域，其包括材料的简单、直的、恒定的部段。在实施方案中，挤压件2706是3D打印的。更一般地，在其他实施方案中，非打印的任何零件或部件可以是3D打印的。此外，公开了仪表板和挡风玻璃框架模块2708。模块化仪表板和挡风玻璃框架模块2708可理想地识别单件仪表板和挡风玻璃孔，以提供最佳结构性能，尺寸精度和设计灵活性。因此，在该示例中，模块2708可以被处理并安装为包含所识别的仪表板和框架的单个复杂模块。
B柱模块2710可包括例如单件式打印盒体部段，该单件打印盒体部段包括载具2700的该部分的硬件特征的大的部段。例如，B柱模块2710可包括铰接件、撞销、座椅安全带安装件以及与框架的侧部和前乘客座椅相关联的其他装置。后底板模块2712可以包括打印的“以包构件和后悬架安装件。类似地，C柱&后四分之一模块2714可以具有类似于B柱模块2706但是用于与载具2700的驾驶室相邻的右后部分的特征。背光孔2718可以框住背光并使得顶蓬结构完整。对于掀背车和厢式货车，此特征可以变为后挡板孔，其可能包含铰接件和撞销。应当理解，载具2700可以以不同的方式分区，这取决于集成的容易程度、模块特征对其他特征的依赖性、AM工艺中涉及的3D打印机的特征和建造板尺寸、以及程序员的偏好。
因为该示例中的主底板模块2716表示大的平面阵列区域，所以模块2716可以包括例如复合蜂窝剪切板件，该复合蜂窝剪切板件在许多实施方案中用于这种大的平面区域。还应注意，根据3D打印机和相应的建造板的尺寸，在一个示例性实施方案中的基于外骨骼的框架可以以单次渲染来打印。替代地，与其他部件一样，框架可以作为一系列模块打印，特别是如果建造板和AM几何形状的尺寸小于由模块2716限定的阵列。
外骨骼载具是其外部表面提供所需结构的这些载具。外骨骼设计为用于维持载具上的大部分操作与结构负载，并在响应撞击事件期间保护乘客。像传统框架一样，外骨骼框架可包括用于容纳外部接口的腔体(即，用于安装窗户以及包括前灯、HVAC系统等的其他系统的腔体和其他部段)。如下面进一步描述的，外骨骼框架可包括定制蜂窝板件或类似的加强结构，以便在撞击事件中提供支撑。在这些实施方案中，可以取消载具框架梁。
外骨骼框架的使用还提供了修改框架的特定区域中的材料以提供进一步支撑的能力。例如，为了在正面撞击的情况下保护乘员，可以使框架内的内部支撑材料更柔软以吸收能量。使用FDM进行3D打印的塑料材料可用于此目的。
为了满足行人撞击要求并在撞击事件中保护行人，外骨骼框架可由在载具的相关区域中制成更薄，更弱或由不同材料(例如，塑料)制成的结构组成。例如，机罩或其部分可以在结构上设计得更薄或更弱，并且可以由塑料零件制成，以使其能够在撞击时变形。在远离行人保护区的区域中，这些特征可能是不必要的，并且因此可以使框架制造得更坚固。
在一个实施方案中，可以使板件的部段沿竖直方向或其他方向变形或挤压，从而最大化行人保护，其中相同的部段可以沿纵向方向制造得更坚固。具有定向强度性能的复合材料，例如碳纤维，可适用于此目的。
图28示出了根据本公开的一个方面的增材制造有外骨骼框架的并且具有用于显示内部结构的透明和剖面部分的载具的侧视图。
图28示出了增材制造有外骨骼框架的并且具有用于显示框架结构的透明和剖面部分的载具2800的侧视图。使用AM，载具可以设计成类似于飞机的机身。也就是说，外骨骼框架2814可以构造为具有光滑的外部，以在A侧面上考虑优异的动态性能。相比之下，外骨骼框架的结构和肋可以布置在内部B侧面上。图28还示出了载具的前内部空间2806和后内部空间2808可以使用外骨骼框架沿着线2804形成。这种额外长度2804是基于外骨骼框架的强度及其处理操作负载和随机力的能力。
此外，当打印基于外骨骼的运输结构时，可以打印包括填充有栅格的基体阵列的自由空间。这种构造提供结构支撑和重量减轻。
图29示出了在本公开的一个方面中来自图28的载具的外骨骼框架的轮廓(contoured)夹层板件的侧面截面图。
图29示出了来自图28的载具的外骨骼框架2802的轮廓夹层板件2902的侧面截面图。应该注意的是，外骨骼载具的剖切部段2810具有类似特性的表层。更具体地，可以看到剖切部段2810包括内表层和外表层以及散置在它们之间的网格结构。
返回参考图29，夹层板件2902包括载具的由横截面层2906构成的外表层以及由材料2908构成的内表层。这两层可包括在它们之间的蜂窝/网格结构2904，在一个实施方案中，蜂窝/网格结构覆盖运输结构的整个区域。通常，夹层板件2902的分布强度消除了在各种实施方案中对载具上的框架梁(诸如前保险杠和后保险杠)的需要。
此外，如本文指出的，围绕运输结构外周设置的这种坚固的表层的另一个优点是轴距距离2804(图28)通常可以做得更长。通常，在这些示例性实施方案中，凭借使用定制蜂窝板件的能力，表层(即，外骨骼)承受所有负载。因此，在一些实施方案中，可以完全消除框架梁。
在图28的一个示例性实施方案中，外骨骼载具可以具有喷涂在表面上的一层或多层涂层以保护并赋予表面一定程度的光滑度。在一个实施方案中，FDM或另一种AM技术可用于此目的。该过程可以代替将外板件附接在外骨骼框架的表面周围并且使重量能够显著减轻。在载具需要表面粗糙度的区域中，例如在可以使用增加的表面积来进行散热的传热应用中，这些特征可以简单地在用于模块的输入模型中表示，并且AM可以容易地将这样的特征集成到外骨骼中以赋予表面期望粗糙度。换句话说，根据该实施方案的AM的使用消除了执行后处理步骤以赋予外骨骼框架表面粗糙度的需要。
再次参考图29，有时使用单壳体碳纤维框架，其中双层碳片布置成其间具有蜂窝纸。然而，这种表层构造昂贵并且是劳动密集型的。特别是，表层不是由AM生产，而是用工具叠置(laid up)并真空袋装。此外，当与金属相比时，这种结构在能量吸收能力方面较差。由于这些原因，在示例性实施方案中，外骨骼框架的表层2902是3D打印金属，并且鉴于其极好的吸收能量的能力，金属表层2902被构造为从事故或粗暴骑行情形(如果不是整个负载)吸收大部分能量。在替代实施方案中，表层2902可以由塑料材料、复合材料或不同材料的组合构成。例如，在涉及较低的总操作负载和/或冲撞风险的实施方案中，可以用碳纤维或其他复合材料代替铝负载。
如本文所述，外骨骼框架可以设计成在受到撞击时变形或屈服。例如，在从上方对机罩的撞击中，内部网格结构可以被构造为塌陷。相反，当在前方载具撞击中沿纵向撞击时，框架可设计成吸收能量并保持其结构完整性。
还应注意，虽然夹置在两层之间的蜂窝或网格结构提供额外的加强支撑而不会显著增加质量，但在一些实施方案中，蜂窝结构可在某些区域中被省略。也就是说，在某些情况下，在特定实施方案中，可以从载具的某些区域省略蜂窝/网格支撑结构。
在本文示例的上下文中使用AM的好处包括不需要任何定制工具或工厂占地面积。AM可以使用单个3D打印机打印多种类型的载具或运输结构。理想情况下，所选择的特定3D打印机只需要足够的打印分辨率即可能够直接打印A级表面而无需后期打印操作。具有高分辨率的AM技术可以打印具有极其复杂几何形状的零件，同时在A级面上具有光滑表面。
除了上述可能的例外，在涉及外骨骼结构的载具实施方案中，载具的主要结构在运输结构的基本上整个表面上以蜂窝板件的形式进行增材制造。这些板件继而处理与驾驶相关的道路负载以及冲撞产生的撞击负载。
在另一个示例性实施方案中，运输结构的壁被仔细地和系统地布置为在需要的地方结合更有效的结构(例如，具有更轻重量和使用更少材料的结构)，并且相反地，在强度最重要的其他区域中结合强度。
图30示出了在本公开的一个方面中具有用于安装具有外部接口的部件的腔的AM框架的透视图。
图30-图32示出了基于外骨骼的载具的各种实施方案。参考图30，外骨骼框架3000包括飞机式外部壳体3002。因为框架3000配备为模块化成具有多个自主区域，所以它趋于避免被挤压并且避免其中框架3000的大部分可能被破坏的所有外部碰撞。另外，虽然外部A级侧面呈现为光滑的，但结构可以安置在B表面上。整个载具，包括框架3000，可以3D打印有孔，以接收前灯3006、尾灯3010和HVAC系统。支架也可以插入孔3008中，以连接到容纳在孔3008中的前灯3006。机罩可以容纳在孔3012中。灯和其他载具系统本身可以3D打印，并且可以被构造为适配到这些开口中，以确保极好的空气动力学特性和美观。使用模块化布局技术，可以简单地将各种载具系统集成在特定连接点处。在其他示例性实施方案中，电路也可以打印到外骨骼框架3000中，从而导致载具基部处于固态并且消除了与传统制造相关的复杂且笨重的布线/线束安装策略的需要。
图31是示出了根据本公开的一个方面的AM框架的另一个透视图。
图31的框架3100示出了类似的实施方案，其示出：结构3104可以包括B表面(载具内部)上的肋和网格结构，而A表面(载具外部)保持平滑。
图32示出了根据本公开的一个方面的AM载具的侧视图，该AM载具具有结构性外部夹层表层，通过消除对外部框架导轨的需要而能够改善空气动力学。
图32示出了可以通过载具框架3200实现的集成载具结构。可以看出，集成结构允许用于载具乘员的定位的最大开口。由通过肋和网格结构加强的框架所产生的更坚固的表层可以例如允许从前轮到后轮的更长距离3202，以便为乘员提供额外的空间。
在本公开的另一方面，外骨骼框架的AM模型包括多个腔体和孔，以容纳需要载具外部接口的部件。这些部件可以是整个部件组的子集，所述部件是运输结构的一体部分且装配并集成到运输结构中。如上所述，这些部件也可以被构造为是模块化的，使得对部件中的一个的损坏不反映维修或替换不相关部件的需要。在基于外骨骼的运输结构的一个实施方案中，载具的后表面和温室可以暴露。使用AM制造这样的结构的一个优点是利用AM提供的设计和几何形状的灵活性。作为AM工艺的一部分或其他方式，可以随后安装板件。玻璃可以安装在温室腔体中。
该实施方案中的内部门板件和类似结构将被构造为适配3D打印的外骨骼的腔体或部段。这样的腔体可以具有易于接近的战略位置。仪表板、HVAC单元、照明模块和用于集成的其他部件也可以是3D打印的，之后可以将它们插入匹配部段，作为在可接近位置中的已知部件的直接插入件。如本文所述，这种装配技术的一个主要优点是它可以促进对需要服务的模块和系统的直接维修和更换。
该过程与传统系统中存在的子系统管理的挑战形成鲜明对比，在传统系统中为了安装或维修的目的而方便地接近特定子系统可能并不简单。运输结构中的典型缺点的一个示例涉及照明系统。传统的运输工具包括仪器和照明设备，它们可被指定为安装在运输工具中，而很少(如果有的话)考虑到容易接近，这意味着例如其他子系统可能对安装造成障碍，或者框架不是简单地不适合与照明系统和其他部件容易地集成。如果具有不同功能的各种仪器彼此组合和/或具有独特或困难的外部连接，则问题可能恶化。
通常，受制于这些不期望的位置、费力复杂的布线仿形和其他障碍，移除和更换仪器的绝对时间在经济上是如此低效的，以至于从业者替代地选择替换相邻工作部件的更大部分以使得能够更容易修复。与这种并非罕见的情况相比，AM提供了适应性。也就是说，通过设计提供易于接近载具中的几乎每个部件的架构，可修复性变得更容易且更便宜。与传统载具相比，具有模块化布局的自动化运输结构有助于简单、几乎无缝的可修复性。
涉及AM外骨骼结构的另一示例性实施方案是指定结构的一部分的模型设计，使得外骨骼在外侧面上并且板件嵌入物在内侧面上。外骨骼以这种方式密封。由于该实施方案中消除了外部板件，因此可以实现显著的重量减轻。这些运输结构可以具有出色的碰撞吸收能力，因为具有理想几何形状的适当的碰撞吸收特征可以在运输结构的外侧上3D打印。使用传统制造技术难以实现这样的结果。
图33示出了根据本公开的一个方面的用于与运输结构的AM框架组装的以Voronoi图案成形的板件。
在另一个示例性实施方案中，如前所述，整个结构可以基于3D外骨骼的模型与内部特征进行3D打印。然而，这次，整个结构可以3D打印以接受板件。在一个实施方案中，板件可以和框架被一起打印以作为集成结构。打印的板件部段可以类似于Voronoi图案或其他图案化特征。图33中示出了Voronoi图案3300的示例。
图34示出了根据本公开的一个方面的具有以多个Voronoi图案为特征的防撞缓冲区的AM载具的侧视图。
图34示出了具有撞击缓冲区域3420a的AM载具3400的侧视图，撞击缓冲区域1220a以Voronoi图案3420表征。运输结构上的Voronoi图案或类似图案可以在它们不是被需要时通过消除固体结构来减轻重量，同时改善材料的结构完整性。这些图案可以通过用作离散的撞击缓冲区域来提供额外的抗撞击加强。载具3400表示打印的外部框架，其包括用于各种目的的多个孔和腔体。在渲染外骨骼框架3400时，多个适当尺寸的3D打印部件(或在一些情况下，商业现货(COTS)零件)与框架3400集成以形成基本上成品的载具。前灯3404、挡风玻璃刮水器3406、挡风玻璃3408，后挡风玻璃3410和尾灯3412可以插入它们各自的腔体3404a、3406a、3408a、3410a和3412a中，并经由任何合适的附接机构(例如粘合剂、螺栓、热熔合等)固定。然后将3D打印塑料薄片或板件的Voronoi图案熔合到它们各自的腔体3420a。
应该注意在图34中，为了避免过度模糊本公开的概念，已经省略了关于载具装配的某些步骤。一组这样的步骤是从载具基本框架来装配载具3400。全面的装配工艺确保多个零件的所有相关零件都结合到载具中并且正常运行。这些包括内燃机、电动机、所有电子装置、流体隔室、电池、悬架系统、车轮系统、火花塞、制动系统、加速器、所有相关仪表板部件以及许多其他部件和子系统。在示例性实施方案中，这些零件中的许多或大部分是增材制造的。其他组包括载具将要进行的全面的质量控制测试和功能测试。然而，省略了许多步骤，以避免不必要地模糊本公开的基本构思。
在其他实施方案中，框架的3D打印，用于移动零件、人和机器来回各种装配单元的构造、以及模块化部件的构造由具有无缝地构建载具的指令的自动构造器执行。
本公开解决了主要障碍并为本领域的各种缺点提供了解决方案。一个这样的障碍包括增材制造载具框架的可行性以及对可用的建造板和用于打印的3D平台几何形状的当前尺寸的限制。该问题的多种解决方案之一是将框架本身包括为模块化子系统之一，并在框架的各个部段的多次渲染之后将框架重新连接成一个内聚单元。模块化设计可为消费者提供更容易的可修复选项。随着建造板和打印机仿形的发展以匹配或超过此样的运输结构的尺寸，制造商具有确定为保持框架的模块化的选项。在一些实施方案中，框架可以在具有内置凹口或连接的单次渲染中打印以保持模块化。
图35示出了根据本公开的一个方面的包括连接节点和部件的设备的实施方案。本文所述的接合节点和部件以及任何结构可由本文所述的一种或多种合金形成。设备3500包括节点3505、互连件3510、插口3515、注入端口3525\支撑结构3530和管3535。互连件3510包括在近端处的头部3540和在远端处的轴3545。
在同一打印过程期间，节点3505和互连件3510被共同打印或被一起增材制造。例如，互连件3510和节点3505可以被设计在被传递至3D打印设备的计算机辅助设计(CAD)文件(file)中。然后3D打印机可以处理该文件并基于该文件启动打印过程。然后可以在相同的打印过程期间打印节点/互连结构。
在打印过程期间，支撑结构3530也可以被共同打印以将互连件3510和节点3505一起保持在插口3515中。支撑结构3530可以包括薄辐条(spoke)和/或突起，所述薄辐条和/或突起被构造为分开，使得互连件3510然后根据插口3515的构造以旋转和/或线性方式自由地运动。支撑结构3530也可以被用于限制互连件3510的运动。例如，突起可以被用于将互连件3510的角旋转限制在特定范围内。
如所示，头部3540可以是球形形状。此外，头部3540与插口3515一起布置以形成接合部。接合部可以是旋转接合部或线性接合部。互连件3510被构造为将节点3510连接至部件。在该设备的一些实施方案中，部件可以是诸如管3535的管。轴3545可以被构造为滑入管3535的端部部分。在设备3500的一些实施方案中，互连件3510的远端可以具有被构造为在管的端部部分之上滑动的端盖。端盖可以是具有像管那样的圆柱形形状的部件，其具有被设计为与管配合的稍大的直径。尽管在该示例中管是圆柱形的，但是本领域普通技术人员将会理解，在不脱离本公开的范围的情况下，管和/或端盖布置可以利用诸如多边形的多种不同的形状。
增材制造零件提供了利用传统制造工艺中不可用的技术的能力，这些工艺通常将零件和/或部件焊接在一起。例如，像粘合剂端口3525这样的复杂结构可以被打印在节点3505中。粘合剂部分3525可以包括从节点的外表面延伸至支撑结构3530的通道。粘合剂端口3525被构造为将粘合剂材料注入由插口3515和头部3540形成的接合部中。当头部3540以使轴3545能够滑入管3535的方式定位时，可以注入粘合剂材料。在设备3500的一些实施方案中，轴3545可在粘合剂注入之前位于管3535的内部。在该设备的一些实施方案中，粘合剂材料可以是诸如环氧树脂、树脂或在互连件3510与节点3505之间形成牢固粘合的任何材料的聚合物。在该设备的一些实施方案中，并且如将关于图41讨论的，第二端口也可以被形成在增材制造的节点3505中。第二端口可以是真空端口。在该设备的一些实施方案中，真空端口可以包括从节点3505的外表面延伸至插口3515的通道，以用于在粘附过程期间实现至少部分真空环境。例如，真空端口可通过减小插口中的空气压力来帮助将通过粘合剂端口3525注入的粘合剂材料拉过插口3515并围绕插口3515。这使得粘合剂能够以一致的方式被施加至插口3515上而没有气泡或缺陷。因此，在粘附后保持零件的结构完整性。
本领域技术人员将认识到，关于图35描述的节点/互连件结构仅仅是将节点3505连接至诸如管3535的部件的结构的示例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下使用对所描述的零件的简单变化。
图36示出了根据本公开的一个方面的包括连接节点和部件的设备的实施方案。
例如，图36示出了包括连接节点和部件的设备3600的示例性实施方案。设备3600具有许多类似于关于图35所讨论的特征的特征。然而，互连件的头部3610具有椭圆形形状，而不是关于图35描述的圆形形状。椭圆形形状可以为接合部提供不同的运动范围。因此，节点/互连件结构可以以各种不同方式设计或构造，以适应在制造复杂机械结构时可能存在的制造约束或需要。此外，本领域普通技术人员将理解的是，所分别示出的节点和互连件的插口和/或头部不需要限于本文讨论的球形或椭圆形形状。事实上，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用提供用于制造复杂机械结构的必要的移动性的任何适合的形状。
图37示出了根据本公开的一个方面的具有接合节点和部件的设备的实施方案。
图37示出了具有节点和组件的设备3700的示例性实施方案。如所示出的那样，设备3700包括各自分别类似于节点3505、互连件头部3540和支撑结构3530的节点3705、互连件头部3710和插口3730。互连件头部3710和插口3730一起形成接合部。该接合部与图35的接合部类似。然而，其不同之处在于互连件头部3710被限制为使得显著的线性运动可用，但是旋转运动被最小化。
图38示出了根据本公开的一个方面的具有可拆卸的粘合剂混合器的部件。
在该设备的一些实施方案中，可以施加形成粘合剂材料的混合物。例如，图38示出了具有可拆卸粘合剂混合器3825的部件3800。如所示，设备3800包括可拆卸的粘合剂混合器3825、节点3805、互连件3810、第一材料3815、第二材料3820、插口3830和注入端口3835。可拆卸的粘合混合器可以被连接至粘合剂端口3835。第一材料3815和第二材料3820的混合物可以被注入至注入端口3835中。然后混合物可以填充插口3830，使得互连件3810通过插口3830粘附至节点3805。可拆卸的粘合剂混合器允许在粘附过程中使用两部分式粘合剂。
如本文所讨论的，增材制造部件提供了以各种不同形状打印节点和/或互连件的能力。这提供了更大的可定制性，以满足在制造复杂机械产品时的各种需求。这种可定制性降低了成本和制造时间。
图39示出了根据本公开的一个方面的具有燕尾接合部的设备的实施方案。
图39示出了具有燕尾接合部的设备3900的示例性实施方案。如所示出的那样，设备3900包括节点3905、互连件3910、管3915、插口3920和卷曲器(crimper)3930。节点3905包括远端3945和近端3940。
如所示，节点3905的远端3935具有被构造为在管3915的端部部分之上滑动的端盖。节点3905的近端3940具有燕尾形状。近端3940配合至诸如插口3920的燕尾形插口中。插口3920和近端3940一起形成燕尾接合部。
如关于图35所讨论的，设备3900还可以打印有支承结构，所述支承结构可以在打印之后被破坏，使得节点3905的近端3940可以类似于图35的头部3540和插口3530那样在插口3920内四处运动。同样类似的，插口3920可以被构造为允许互连件3910具有旋转和/或线性运动。一旦节点3935在适当位置，其经由型锻(swaging)固定。也就是说，节点3905被卷曲器3930变形，使得节点3905被保持在适当位置。
可选地，如本文所述，设备3900还可以包括注入端口和/或真空端口以施加粘合剂以将互连件3910固定在适当位置。除了型锻节点3905之外或代替型锻节点3905，可以使用粘附过程。
通过增材制造零件，可以实现由于复杂的机械结构而不可能利用传统制造技术来实现的各种不同的形状和构造。燕尾接合部是可以通过增材制造节点和互连件而产生的构造的一个示例。如下面将要讨论的，图40示出了可以通过增材制造节点和互连件而产生的节点和互连件的另一个示例。
图40示出了根据本公开的一个方面的具有向外凸起的插口的设备的实施方案。
图40示出了具有向外凸起的插口的设备4000的示例性实施方案。如所示，设备4000包括节点4005、互连件4010、材料4015和管4020。节点4005包括具有部分4025的插口4030，所述部分625具有向外的凸起。
在该设备的一些实施方案中，插口4030大致是圆柱形。互连件4010包括轴4070，其被连接至与插口4030的开口4060相对的插口4030的内表面4065。在该设备的一些实施方案中，互连件是心轴。此外，互连件包括处于近端的头部4055以及远端4050。如所示，头部4055可延伸超过插口4030的开口。如上所述，插口4030包括部分4025，其具有围绕互连轴4070的一部分的向外的凸起。
如所示，管4020的端部部分被定位在互连件4010之上。管4020的端部部分还包括部分4025，其具有围绕互连件4010的轴4070的向外的凸出。
注入的材料4015可以是诸如硅树脂或液压流体的聚合物。如所示，材料4015被施加在管4020的端部部分与插口4030的内表面4065以及互连件4010的头部4055之间。
在该设备的一些实施方案中，利用液压成形过程来致使管4020变形。对于液压成形过程，材料4015是诸如硅树脂的液压成形材料，其在管4020被插入插口4030中之后被注入管4020中。注入的材料与互连件4010结合在管4020内产生压力。该压力通过沿着具有向外的凸起的插口4030的部分4025凸出来使管4020变形。该变形在管4020与节点4005之间形成机械密封。在液压成形过程的终点，材料从插口4030排出并且管4020被连接至节点4005。
图41示出了根据本公开的一个方面的具有一对节点的设备的实施方案。
在该设备的一些实施方案中，可以利用多个节点来连接诸如管的部件。图41示出了具有一对节点的设备4100的示例性实施方案。如所示，设备4100包括第一节点和第二节点4105以及互连件4110。节点4105和互连件4110通过增材制造共同打印。设备4100还包括管4115和注入端口4120、真空端口4125、至少一个滑动件4130、粘合剂材料4135和螺纹4140。
如所示，互连件4110被构造为将第一节点和第二节点4105连接至管4115。在该设备的一些实施方案中，互连件4110包括具有一个或多个滑动件4130的端盖，所述滑动件730被构造为滑入管4115的端部部分。例如，滑动件4130可以包括被构造为滑入管4115的端部部分的多个半圆形滑动件。
第一节点和第二节点4105可以与端盖一起布置以形成槽，管4115滑过所述槽以将管4115的端部部分附接至端盖。
最左边的节点4105包括注入端口4120，其包括从节点的外表面延伸至槽的通道，以用于粘合剂注入。节点4105还包括真空端口4125，其包括从节点4105中的一个的外表面延伸至槽的第二通道。注入端口4120和真空口4125协同工作以注入粘合剂材料4135并拉动其穿过槽以将槽和管保持在适当位置。在该设备的一些实施方案中，真空端口可以使至少部分真空环境能够通过槽。可以可替选地结合螺纹螺钉使用螺纹4140而不是粘合剂材料4135来将管4115保持在适当位置。
图42示出了根据本公开的一个方面的3D打印部件，包括本体结构、上控制臂、下控制臂和3D打印铝组件的其他部分。图42示出了示例性控制臂构造的前视图。参考图42，本体结构4202、上控制臂4206和下控制臂4208均包括3D打印铝组件的部段。本文所述的本体结构、控制臂和所有结构可以由本文所述的一种或多种合金形成。上控制臂4206和下控制臂4210在一侧上经由立柱4208连接。上控制臂4206可在另一侧上连接到聚合物衬套4204。聚合物衬套4204可提供位置稳定性，连同有限旋转和振动隔离。在此实施方案中，下控制臂4210连接到更大的星形聚合物衬套4212，其可提供位置稳定性、弹性旋转和振动隔离。可经由将熔融橡胶材料注入到腔体中在适当位置处来模制在元件4204和4212中使用的橡胶衬套。在另一示例性实施方案中，橡胶/弹性体反而可以是3D打印的。替代地，可通过结构的其余部分3D打印用来注入橡胶/弹性体的进料管。
图43示出了根据本公开的一个方面的控制臂在两个不同位置之间移动的示意图，该控制臂使用几何上不同的标称间隙来实现不同的物理特性。
图43示出了在示例性实施方案中使用几何形状不同的标称间隙在两个不同位置之间旋转的控制臂4302的示意图。由元件904限定的区域的成分包括橡胶/弹性体材料。如元件4304的矩形形状所示，形状通常可改变以影响弹性特征和旋转特征。另外，部件4306和4308可构成流体或者气体填充的腔体，其可结合到橡胶/弹性体材料中以影响弹性系数。
3D共同打印的另一示例包括打印带有控制臂的用于电动机的壳体。共同打印这些部件可使得能够设计很好的用于载具的推进系统，其仅可通过AM来实现。还可将电动机安装在控制臂的质心上，如参考图43所示。
图44示出了根据本公开的一个方面的短长臂(SLA)悬架几何结构，其中电动机安装到下控制臂的枢轴处。
图44示出了短长臂(SLA)悬架几何结构4400，其中电动机4402安装到下控制臂4406枢轴4404处。传统地，在电动载具中，电动机通常位于前轴或者后轴的中心处。在一些情况中，将电动机结合在轮毂中。在图44的示例中，将电动机4402安装为靠近下控制臂枢轴4404，并且当悬架系统进入跳动并弹回时，电动机1002随着悬架系统摇动。虽然涉及一些惯性，但是与轮毂电动机相比，簧下质量(unsprung mass)的增加是最小的，因为电动机行程被最小化。因此，此概念的一个关键优点是，其在不会对载具操纵产生负面影响的情况下提供封装效率。电动机4402经由短传动轴4408通过恒速(CV)接合部4410连接到传动轮毂，以适应轮毂和控制臂/电动机之间的任何角度变化。可将电动机壳体与下控制臂4406一起增材制造以产生完全优化的壳体。电动机壳体可包括本文讨论的特征以及电动机的质心4412、载具结构/悬架支架4416、上枢轴4418、上控制臂4420、转向轴4422、控制臂4424、立柱4426，和制动转子4428。
图45示出了根据本公开的一个方面的McPherson支柱型悬架的示例，该悬架与安装到下控制臂的枢转点处的电动机相联接。
图45示出了McPherson支柱型悬架4508，其中电动机4502安装到下控制臂4506的枢轴4504处。应指出，此安装控制臂的电动机系统将与控制臂枢转轴和轮旋转轴线垂直的任何悬架系统一起工作。在示例性实施方案中，这些零件中的一个或多个可以是增材制造的，并作为模块化部件而包含在载具框架中。
图46A-C示出了根据本公开的一个方面的具有以不同配置安装的电动机的载具的不同实施方案。
图46A至C示出了具有以不同配置安装的电动机的载具的不同实施方案。在图46A中，电动机4602安装在前挤压空间中的前轴的中心处。在图46B中，电动机4602安装在后货物区域中的后轴的中心处。在图46A和图46B的情况中，电动机占据宝贵的货物空间或者安置空间，因为电动机在碰撞下不会被挤压，所以其也需要对载具的前部(图46A)或者后部(图46B)增加附加的挤压空间。图46C代表了这样的实施方案：其中，轮毂电动机4602有效地安装在后轮处，但是其将簧下质量增加至车轮，这可能对车轮的操纵具有负面影响。对于图46A至C，电池组和电气部件放置在区域4604中，并且挡风玻璃示出为4606。
在另一示例性实施方案中，可在制造的同时在载具的预定区域设置接口中心。这些区域可用作在碰撞过程中出故障的载具的两个部段或者更多部段之间的接合部。通过移除受损部段并通过载具的其余部分3D打印新的部段，可简单地实现对载具的维修。此方法与不仅替换受损结构而且也替换周围零件的传统方法相反。此新颖方法还使受损零件的再循环利用简单得多。
图47示出了根据本公开的一个方面的用于头部冲击保护的增材制造结构内饰件。
可通过使用模块化技术的AM来生产内部结构部件。例如，图47示出了可在需要头部撞击保护的地方增加的AM结构内饰件。内饰件可由刚性结构4702支撑，内饰件的尖头从刚性结构4702伸出。相比之下，当出现碰撞时，可将元件4704放在乘员头部的可能位置附近。元件4704可以是符合头部损伤标准(HIC)的。
图48示出了根据本公开的一个方面的增材制造结构内饰件，其具有为了空气动力学、美学和行人保护而添加的外部板件。
图48示出了带有为了空气动力学、美学和行人保护而增加的外部板件的增材制造结构内饰件。在一个实施方案中，内饰包括单件“笼(cage)”。装饰件可包括用于门、门槛和底板的结构内部板件4806。内饰件进一步包括底板4808。密封件4810和4814可用来将内部结构板件4806密封至底板4808。内饰件可由外部门槛板件4816和外部门板件4812界定，外部门槛板件4816和外部门板件4812可以是从独立于单件内饰件的部件组的一部分。
仪器板件和防火墙构成载具的最复杂区域的一部分。典型的仪表板结构具有多个零件并需要复杂夹具。使用AM和模块化设计，可优化仪表板以减小总零件数量并降低固定要求。而且，AM可使得能够3D打印重量轻但耐久的材料，这可导致明显的成本节约。除了其他优点以外，此方法可对OEM产生大量增加各种仪表板组件的生产并使得OEM能够在降低资本支出的同时生产多种不同组件的机会。
在本发明的一个方面中，公开了一种3D打印的大仪表板。根据一个示例性实施方案的3D打印的大仪表板可替换多种单独的冲压件，例如仪表板、上下整流罩、支柱塔、上负载路径梁，和整流罩侧。柱体降低外部件、铰接件、加固件和支架。进一步，可将3D打印的大仪表板概念轻松地实施到传统的白车身(BIW)建造策略中。
图49是根据本公开的一个方面的组装到载具框架中的增材制造仪表板的透视图。
图49是装配在载具框架4904中的增材制造的大仪表板4902的透视图。如可看到的，仪表板4902可与框架共同打印，或者其可以是3D打印的并在之后增加到框架。
目前，仪表板组件包括显著的灵活性，并且是任何平台衍生策略的核心。鉴于在工具、夹具和不动产方面的大量投资，使用替代仪表板的衍生载具的尺寸范围目前受到严格限制。
图50是根据本公开的一个方面的3D打印仪表板的透视图。
与传统技术相比，可充分地优化AM大仪表板结构，以附接适配在仪表板内的所有关键部件。AM仪表板结构可构造为包括用于组件的各种部件的孔和/或安装座。图50是3D打印仪表板的透视图。3D打印仪表板包括用于所有关键部件的配件。这些包括外侧通风口孔5002、乘客气囊孔5004、扬声器孔5006、除霜器管道5008、横撑5010、簇孔(clusteraperture)5012、支柱托架5014、转向柱托架5016、铰接件5018、带有密封凸缘的门槛部段5020、轨道5022和中心堆叠(center stack)孔5024。在一个实施方案中，可将HVAC单元安装在仪表板的前侧上。
还可优化AM仪表板以在碰撞事件中帮助乘员。特别地，可以这样的方式设计AM仪表板，使得可将大多数前部冲击力转移到底部结构，而不是仪表板本身。这种设计保护乘员的头部和其他重要的器官区域。进一步，可使AM仪表板附加到内部安全物品，包括，例如，转向柱、膝部阻断器、踏板和气囊。将后者安装到附接于柱/整流罩侧的汽车横段(cross carsection)。在头部撞击的事件中，可使转向柱让路。
汽车专家预期未来若干年后载具碰撞的频率会降低。此预测很大程度上是由于自主/辅助驾驶技术的进步。当这些技术成熟时，主动安全可使得能够进一步大规模优化运输结构。在这种情况中，载具可制造得轻得多并可以更大的效率操作。集中于其他设计考虑因素的能力可能继而会导致总体上的运输系统的载具的整体设计的进步。例如，自动载具可能潜在地导致交通堵塞的明显减小。由于运动的精确自动化和载具之间的自动协调，道路上可容纳更多载具。可使这些载具更平稳地运动，因为自动载具系统不知疲倦监控状态并执行必要的指令以防止出现碰撞。而且，增加的主动安全性也可使得载具结构技术能够导致更环境友好的运输结构。这继而可限制排放和污染物，并且运输结构的AM性质将使得运输行业能够变得更生态友好。
在本公开的另一方面中，一种先进的载具系统构造为使得能够相对安全地将氢气用作燃料。氢气的主要优点是，其是一种清洁燃料，因为其在燃烧之后的产物是水。然而，氢气储存和运输并不容易，并会增加许多安全考虑因素。举例来说，氢气是高度易燃的。目前，氢燃料载具使用燃料电池来起作用。这些电池经由氢气的燃烧产生电并对一个或多个电池充电。于是像任何电动车一样将储存的电能转换成用于使载具移动的动能。简而言之，这些电池对电动机提供动力以实现运动。
在一个实施方案中，AM可以相对于氢气箱、电池和电动机布置通过提供很大的自由度来优化载具系统的布局。传统的封装系统受可利用工具的约束。也就是说，在目前的燃料电池载具中，封装氢气气体是主要障碍。为了获得与使用传统内燃机的载具大约相同的范围，氢燃料电池动力传动系可需要容积大2-3倍的气箱，甚至当将氢气压缩到10000psi时。除了需要大容积和压力以外，氢燃料箱限制于使用圆柱形端部来承受高压力，这与可符合封装约束的传统气箱不同。另外，这些高压氢气箱是昂贵的。
图51是根据本公开的一个方面的具有沿着载具中心定位的氢燃料箱的载具的平面图。
图51是带有策略性地定位为沿着载具中心的氢燃料箱5102的载具5100的平面图。在此图中，氢燃料箱5102变成结构“骨架”构件，其位于封装内的空的空间中。此位置具有许多优点。首先，其不会损害载具封装，并且不需要在目前的载具系统的布局中进行明显改变。相反，将氢燃料箱封装在底板下方，升高足跟高度和/或货物底板高度。第二，氢燃料箱兼做本体结构的骨架，没有附加重量地对本体增加抗扭刚度。第三，可能的尺寸增加允许减小压力，从而加速填充时间并减小箱壁厚度。此特征是特别有利的，因为高压填充设备是昂贵的且需要较长的填充时间。第四，氢燃料箱的中心位置是最安全的位置。
图52是根据本公开的一个方面的底部碰撞结构的平面图。
底部碰撞结构如图52所示，该图是底部碰撞结构的平面图。如图52所示，骨架结构周围的框架5215意味着，矩形5218限定载具的刚性部分。使燃料箱5202沿着载具中心定位。此位置使燃料箱位于距所有外部冲击点最远距离的地方，并有效地将燃料封装在许多载具中通常不使用的空间中。因此，前防撞梁5206、后防撞梁5208和侧防撞梁5210都尽可能远离骨架，这对于转移由于碰撞而产生的能量给予时间，以经由框架5215和其他结构进行消散。
图53是根据本公开的一个方面的载具封装的后截面视图。
图53是传统车辆封装的后剖视图。如可看到的，在此视图中，在两个乘员之间是中央控制台5302，其用于储存并且是驾驶员界面。在中央控制台5302下方，底板通道5304传统地用来容纳后驱传动轴和/或排气系统。
图54是根据本公开的一个方面的3D打印骨架燃料箱的后截面图。
图54是3D打印骨架燃料箱的后截面视图。中央控制台5402保持在乘员之间的位置中。氢燃料箱5403(其可以是3D打印的)用来填充空的空间。如果必要的话，附加的燃料箱5404a和5404b可结合到骨架燃料箱附近。如可从图54看到的，3D打印骨架的使用并不会损害载具封装，并导致空间的高效使用。
专家通常并不期望由氢气驱动的电池效率会变得更高。因此，在一个替代的示例性实施方案中，氢燃料箱可储存液态氢以直接在内燃机中使用。通过AM技术，可将氢储存箱设计为带有加强件以满足安全要求，例如厚金属壁和定制把手来移动氢储存箱，同时避免接触冷温度。3D打印允许灵活地放置载具系统。与模块化设计联接，顾客可简单地取出用过的氢燃料箱并放入一个满的。为了解决使用氢气作为燃料的内燃机(ICE)周围的一些设计和效率顾虑，可使得使用3D打印制造的发动机比目前的设计为一次处理更小量的液态氢的发动机更有效。
提供上文的描述以使得本领域任何普通技术人员能够实践本文描述的各个方面。本公开通篇给出的对这些示例性实施方案的各种修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且本文中所公开的概念可以应用于铝合金。因此，权利要求不旨在限于贯穿本公开给出的示例性实施方案，而是与符合语言权利要求的全部范围相一致。贯穿本公开所描述的示例性实施方案的元件的所有结构和功能性等同物都是本领域普通技术人员已知的或以后将为本领域普通技术人员所公知的，旨在由权利要求涵盖。此外，无论在权利要求中是否明确地叙述了这样的公开内容，本文所公开的内容都不旨在致力于公众。除非该要素是使用短语“用于……的手段”明确叙述的，或者在方法权利要求的情况下，该要素是使用短语“用于……的步骤”叙述的，否则不应根据35U.S.C.112(f)的规定或适用管辖范围内的类似法律来解释任何权利要求要素。
Claims (16)
1.一种合金，其包含：
铝(Al)；
硅(Si)；和
镁(Mg)，其中所述合金的组成包含至少5重量％至20重量％的Si和至少7重量％至10重量％的Mg。
2.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金基本上由Al、Si和Mg组成。
3.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金的屈服强度为至少450兆帕(MPa)。
4.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金的伸长率至少为4％。
5.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金的材料硬度在洛氏硬度(HRB)标度上至少为80。
6.根据权利要求1所述的合金，其进一步包含银、镍和锰中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的合金，其进一步包含钙。
8.根据权利要求7所述的合金，其中所述合金包含0.1至0.45重量％的钙。
9.根据权利要求1所述的合金，其进一步包含锆。
10.根据权利要求9所述的合金，其中所述合金包含2至3.5重量％的锆。
11.根据权利要求1所述的合金，其进一步包含钙和锆。
12.根据权利要求11所述的合金，其中所述合金包含0.1至0.45重量％的钙和2至3.5重量％的锆。
13.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金通过增材制造工艺生产。
14.根据权利要求13所述的合金，其中所述增材制造工艺包括至少1000摄氏度每秒的冷却速率。
15.根据权利要求13所述的合金，其中所述增材制造工艺包括激光粉末床融合、电子束粉末床融合或定向能量沉积中的至少一种。
16.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金是过共晶合金。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=90567433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (2)
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-
2022
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- 2022-07-01 EP EP22834339.8A patent/EP4363627A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4363627A1 (en) | 2024-05-08 |
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Legal Events
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