3D打印生產(chǎn)世界中的增材制造輕量化策略

商業(yè)航空業(yè)在很大程度上接受了輕量級材料，是因為我們總是在購票的時候喜歡做短暫性質(zhì)的比較選擇（例如機票），這使得航空公司需要在燃油經(jīng)濟性方面不斷提升，從而節(jié)約成本。增材制造（AM）早期在航空航天工業(yè)中被采用的關(guān)鍵原因是輕量化實現(xiàn)，關(guān)于這方面，具體來說，航空航天領(lǐng)域，3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)、鏤空點陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、異形拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

但是當涉及到汽車行業(yè)時，由于當前3D打印用于制造的高成本，很容易讓人懷疑它為消費者實施輕型汽車的潛力。最近，通用汽車（GM）攜手歐特克，創(chuàng)造了一種通過增材制造的座椅支架，聲稱重量減輕了40％，雖然成本不一定適合當前的應(yīng)用場景，可能要好幾年才能在世界各地推出使用這些支架的汽車。盡管如此，這是一個很有前途的發(fā)展，因為它代表了增材制造向目前努力滲透的幾個方向邁出的一步 - 大規(guī)模生產(chǎn)。

福特T型車于1907年首次下線，重量約為當今特斯拉3號車型的三分之一。今天，我們的汽車比一個世紀以前要重得多。事實上，在過去的二十年中，平均來說，給定級別（汽車，SUV，卡車）的汽車重量幾乎沒有變化。當然消費者選擇汽車的時候并沒有考慮太多關(guān)于汽車重量的因素，而是更多關(guān)注性能，安全性和功能，不過汽車重量是不容忽視的。

一百多年來，工程師們一直在探索輕量化策略。隨著增材制造技術(shù)進入生產(chǎn)車間，進一步評估增材制造帶來的輕量化的四種策略，可以更加深入了解該領(lǐng)域的未來可能性。

1. 材料選擇
輕量化最容易被認為是一個材料選擇問題。每位材料科學工程師和大多數(shù)機械工程師都對材料與輕量化的關(guān)系十分重視，可以選擇材料以達到與材料密度相關(guān)的某些性能目標（強度，模量等）。在做材料選擇的時候，首先考慮符合所有設(shè)計要求的最低密度材料，當然其他因素如可制造性（例如延展性）和成本也會發(fā)揮作用，并可能主導選擇考慮因素。

圖：材料與強度的Ashby plot

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
重量是材料和結(jié)構(gòu)組合的結(jié)果，一旦材料被選中，進一步的機會就是利用設(shè)計來降低所述結(jié)構(gòu)的總重量。通過“結(jié)構(gòu)”優(yōu)化，包括通過去除材料（尤其是通過拓撲優(yōu)化來實現(xiàn)），或者通過一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)即將結(jié)構(gòu)合并為更少的部件，從而顯著減輕重量。

3. 胞元結(jié)構(gòu)
點陣結(jié)構(gòu)或多孔材料使得在“微觀”的層面上降低產(chǎn)品的重量。例如，在骨植入物中，通過局部變化來模仿骨的硬度，不僅實現(xiàn)輕量化的目的，還使得人體更加容易“接納”這樣的植入物。不過要通過點陣胞元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輕量化是不容易的事情，在《3D打印胞元結(jié)構(gòu)建模的六大挑戰(zhàn)》一文中介紹過連續(xù)建模需要注意的點，以及如何在蜂窩結(jié)構(gòu)材料中實現(xiàn)精確、均勻和各向同性材料，如何注意“宏觀”層面的外形設(shè)計對“微觀”層面的胞元結(jié)構(gòu)帶來的力學性能影響，如何注意尺寸公差的影響，以及打印方向?qū)α�學性能的影響。

幾種常見的結(jié)構(gòu)，包括蜂窩結(jié)構(gòu)，開孔泡沫，閉孔泡沫，點陣結(jié)構(gòu)。

4. 多功能
在輕量化的背景下，多功能代表了以最終抵消部件數(shù)量和組裝設(shè)備（如緊固件）的方式使用材料和結(jié)構(gòu)的機會，從而實現(xiàn)輕量化。對于多功能的概念描述來自于Schaedler和Carter的2016年評論文章中的機翼原理圖，如圖所示。機翼的核心功能是產(chǎn)生升力。然而，從輕量化角度來看，我們感興趣的是構(gòu)成機翼的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在所有預期的環(huán)境條件下必須具有彈性，但它們也可以通過優(yōu)化重心位置和/或熱管理或能量存儲的方式進行完善。而通過設(shè)計過程中，則需要將這些局部結(jié)構(gòu)與連續(xù)拓撲結(jié)構(gòu)（例如機翼和內(nèi)部管道的表皮）實現(xiàn)結(jié)合。

圖：Schaedler和Carter的2016年評論文章中的機翼原理圖

在多材料，高設(shè)計保真度的時代，我們?nèi)绾巫罴训毓餐瑑?yōu)化材料，以增材制造的方式實現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)和功能？除了這些策略，從自然界吸取靈感是一種有效的方法。而在輕量化的背景下，增材制造一方面將助力輕量化的實現(xiàn)，另一方面由于當前的材料選擇和成本限制仍然是進入大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。但是這些挑戰(zhàn)不會繼續(xù)存在十年，無論是在我們的道路上這將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為更輕的車輛，還是用于工程領(lǐng)域，增材制造的潛力正在發(fā)生作用。

來源： 3D科學谷