3D打印實現(xiàn)輕量化的四種途徑

輕量化結構的優(yōu)勢其實不難理解：以汽車為例，重量更輕就意味著操控性和加速能力更好，同時剎車的制動距離也會更短，而以飛機為例，重量輕則可以提高燃油效率和載重量。

要實現(xiàn)輕量化，宏觀層面上可以通過采用輕質材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復合材料等材料來達到目的。微觀層面上可以通過采用高強度結構鋼這樣的材料使零件設計得更緊湊和小型化，有助于輕量化。

而3D打印帶來了通過結構設計層面上達到輕量化的可行性。具體來說，3D打印通過結構設計層面實現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、一體化結構實現(xiàn)、異形拓撲優(yōu)化結構。


途徑1：中空夾層、薄壁加筋結構
中空夾層、薄壁加筋結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子組合而成。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔拉應力和壓應力，芯材主要承擔剪切應力，也承擔部分壓應力。夾層結構具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩(wěn)能力強、耐疲勞、吸音與隔熱等優(yōu)點。

在航空、風力發(fā)電機葉片、體育運動器材、船舶制造、列車機車等領域，大量使用夾層結構，減輕重量。

如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾層結構被稱作金屬夾層結構，西安鉑力特在3D打印過程中，采用夾層結構，實現(xiàn)構件的快速輕量化，經(jīng)過設計的夾層結構對直接作用外部于蒙皮的拉壓載荷具有很好的分散作用，薄壁結構（比如壁厚1mm以下）也能對減重做出貢獻；夾層及類似結構可用作散熱器，在零件上應用，極大地提高零件的熱交換面積，提高散熱效率。


途徑2：鏤空點陣結構
鏤空點陣結構可以達到工程強度、韌性、耐久性、靜力學、動力學性能以及制造費用的完美平衡。通過大量周期性復制單個胞元進行設計制造，通過調整點陣的相對密度、胞元的形狀、尺寸、材料以及加載速率多種途徑，來調節(jié)結構的強度、韌性等力學性能。

三維鏤空結構具有高度的空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在實現(xiàn)減重的同時保證承載能力。除了工程學方面的需求，鏤空點陣結構間具有空間孔隙（孔隙大小可調），在植入物的應用方面，可以便于人體肌體（組織）與植入體的組織融合。

鏤空點陣單元設計有很高的的靈活性，根據(jù)使用的環(huán)境，可以設計具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。西安鉑力特在這方面做了不斷的嘗試：在構件強度要求高的區(qū)域，將點陣單元密度調整的大一些，并選擇結構強度高的鏤空點陣單元；在構件減重需求高的區(qū)域，添加輕量化幅度大的鏤空點陣結構，鏤空結構不僅可以規(guī)則排列，也可以隨機分布以便形成不規(guī)則的孔隙。另外，鏤空結構還可以呈現(xiàn)變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應構件整體的梯度強度要求。

有趣的是，雖然大部分人都將重點放在了點陣結構如何實現(xiàn)我們需要的強度和靈活性上，但卻仍有一小部分人在研究如何獲得需要的“脆弱性”。之前，英國輕量化項目聯(lián)盟就在研究如何壓破點陣結構。其應用場景是返航太空艙在進入地球空氣層時候，壓力和速度的變化對艙體的力學結構帶來很大挑戰(zhàn)。通過增材制造Ti-6AI-4V的點陣結構獲得0.4k/cm3的超輕密度，這樣的結構需要設計成在某種壓力下會被“壓破”。3D打印為鏤空點陣單元在力學方面的性能實現(xiàn)打開了一個新領域。


途徑3：一體化結構實現(xiàn)
3D打印可以將原本通過多個構件組合的零件進行一體化打印，這樣不僅實現(xiàn)了零件的整體化結構，避免了原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。

一體化結構的實現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產效益打開了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個減少到一個。通過3D打印將結構實現(xiàn)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且將提高LEAP發(fā)動機的性能。


途徑4：異形拓撲優(yōu)化結構
拓撲優(yōu)化是縮短增材制造設計過程的重要手段，通過拓撲優(yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在一個確定的設計領域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預張力，以及負載等目標。

拓撲優(yōu)化對原始零件進行了材料的再分配，往往能實現(xiàn)基于減重要求的功能最優(yōu)化。拓撲優(yōu)化后的異形結構經(jīng)過仿真分析完成最終的建模，這些設計往往無法通過傳統(tǒng)加工方式加工，而通過3D打印則可以實現(xiàn)。通常3D打印出來的產品與傳統(tǒng)工藝制造出來的零件還需要組裝在一起，所以設計的同時還需要考慮兩種零件結合部位的設計。

以上四種3D打印結構僅僅實現(xiàn)機械輕量化的其中一個方向，而輕量化其實是一個系統(tǒng)工程，從每一個關鍵零部件的設計優(yōu)化、制造，到輕量化材料的研發(fā)與應用都是不可或缺的。

來源：3D科學谷