3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化的四種途徑

輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)其實(shí)不難理解：以汽車(chē)為例,，重量更輕就意味著操控性和加速能力更好，同時(shí)剎車(chē)的制動(dòng)距離也會(huì)更短,，而以飛機(jī)為例，重量輕則可以提高燃油效率和載重量。

要實(shí)現(xiàn)輕量化,，宏觀層面上可以通過(guò)采用輕質(zhì)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(fù)合材料等材料來(lái)達(dá)到目的。微觀層面上可以通過(guò)采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化,，有助于輕量化,。

而3D打印帶來(lái)了通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來(lái)說(shuō),，3D打印通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu),、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu),。


途徑1：中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)
中空夾層,、薄壁加筋結(jié)構(gòu)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(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,，芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力,，也承擔(dān)部分壓應(yīng)力。夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕,、彎曲剛度與強(qiáng)度大,、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞,、吸音與隔熱等優(yōu)點(diǎn),。

在航空、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,、體育運(yùn)動(dòng)器材,、船舶制造,、列車(chē)機(jī)車(chē)等領(lǐng)域，大量使用夾層結(jié)構(gòu),，減輕重量,。

如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材,，這種夾層結(jié)構(gòu)被稱(chēng)作金屬夾層結(jié)構(gòu),，西安鉑力特在3D打印過(guò)程中，采用夾層結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速輕量化,，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的夾層結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)（比如壁厚1mm以下）也能對(duì)減重做出貢獻(xiàn),；夾層及類(lèi)似結(jié)構(gòu)可用作散熱器,，在零件上應(yīng)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工程強(qiáng)度、韌性,、耐久性,、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能以及制造費(fèi)用的完美平衡,。通過(guò)大量周期性復(fù)制單個(gè)胞元進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,，通過(guò)調(diào)整點(diǎn)陣的相對(duì)密度、胞元的形狀,、尺寸,、材料以及加載速率多種途徑，來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,、韌性等力學(xué)性能,。

三維鏤空結(jié)構(gòu)具有高度的空間對(duì)稱(chēng)性，可將外部載荷均勻分解,，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)保證承載能力,。除了工程學(xué)方面的需求，鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間具有空間孔隙（孔隙大小可調(diào)）,，在植入物的應(yīng)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(diǎn)陣單元設(shè)計(jì)有很高的的靈活性,，根據(jù)使用的環(huán)境,，可以設(shè)計(jì)具有不同形狀、尺寸,、孔隙率的點(diǎn)陣單元,。西安鉑力特在這方面做了不斷的嘗試：在構(gòu)件強(qiáng)度要求高的區(qū)域，將點(diǎn)陣單元密度調(diào)整的大一些,，并選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的鏤空點(diǎn)陣單元,；在構(gòu)件減重需求高的區(qū)域，添加輕量化幅度大的鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),，鏤空結(jié)構(gòu)不僅可以規(guī)則排列,，也可以隨機(jī)分布以便形成不規(guī)則的孔隙。另外,，鏤空結(jié)構(gòu)還可以呈現(xiàn)變密度,、厚度的梯度過(guò)渡排列，以適應(yīng)構(gòu)件整體的梯度強(qiáng)度要求,。

有趣的是,，雖然大部分人都將重點(diǎn)放在了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)我們需要的強(qiáng)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(guó)輕量化項(xiàng)目聯(lián)盟就在研究如何壓破點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。其應(yīng)用場(chǎng)景是返航太空艙在進(jìn)入地球空氣層時(shí)候,，壓力和速度的變化對(duì)艙體的力學(xué)結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大挑戰(zhàn),。通過(guò)增材制造Ti-6AI-4V的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)獲得0.4k/cm3的超輕密度，這樣的結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)成在某種壓力下會(huì)被“壓破”,。3D打印為鏤空點(diǎn)陣單元在力學(xué)方面的性能實(shí)現(xiàn)打開(kāi)了一個(gè)新領(lǐng)域,。


途徑3：一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)
3D打印可以將原本通過(guò)多個(gè)構(gòu)件組合的零件進(jìn)行一體化打印，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu),，避免了原始多個(gè)零件組合時(shí)存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭,、焊縫等），也可以幫助設(shè)計(jì)者突破束縛實(shí)現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)計(jì),。

一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)除了帶來(lái)輕量化的優(yōu)勢(shì),，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產(chǎn)效益打開(kāi)了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過(guò)不斷的優(yōu)化,、測(cè)試,、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少到一個(gè),。通過(guò)3D打印將結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化,，不僅改善了噴油嘴容易過(guò)熱和積碳的問(wèn)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(dòng)機(jī)的性能,。


途徑4：異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)
拓?fù)鋬?yōu)化是縮短增材制造設(shè)計(jì)過(guò)程的重要手段,，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓?fù)浞椒ù_定在一個(gè)確定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)最佳的材料分布：包括邊界條件,、預(yù)張力,，以及負(fù)載等目標(biāo),。

拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)原始零件進(jìn)行了材料的再分配，往往能實(shí)現(xiàn)基于減重要求的功能最優(yōu)化,。拓?fù)鋬?yōu)化后的異形結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)仿真分析完成最終的建模,，這些設(shè)計(jì)往往無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)加工方式加工，而通過(guò)3D打印則可以實(shí)現(xiàn),。通常3D打印出來(lái)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝制造出來(lái)的零件還需要組裝在一起,，所以設(shè)計(jì)的同時(shí)還需要考慮兩種零件結(jié)合部位的設(shè)計(jì)。

以上四種3D打印結(jié)構(gòu)僅僅實(shí)現(xiàn)機(jī)械輕量化的其中一個(gè)方向,，而輕量化其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)工程,，從每一個(gè)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化、制造,，到輕量化材料的研發(fā)與應(yīng)用都是不可或缺的,。

來(lái)源：3D科學(xué)谷