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(jí)材料，是因?yàn)槲覀兛偸窃谫?gòu)票的時(shí)候喜歡做短暫性質(zhì)的比較選擇（例如機(jī)票），這使得航空公司需要在燃油經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)，關(guān)于這方面，具體來(lái)說(shuō)，航空航天領(lǐng)域，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)。

但是當(dāng)涉及到汽車行業(yè)時(shí)，由于當(dāng)前3D打印用于制造的高成本，很容易讓人懷疑它為消費(fèi)者實(shí)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(guò)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(dāng)前的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)很有前途的發(fā)展，因?yàn)樗�代表了增材制造向目前努力滲透的幾個(gè)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(dāng)今特斯拉3號(hào)車型的三分之一。今天，我們的汽車比一個(gè)世紀(jì)以前要重得多。事實(shí)上，在過(guò)去的二十年中，平均來(lái)說(shuō)，給定級(jí)別（汽車，SUV，卡車）的汽車重量幾乎沒(méi)有變化。當(dāng)然消費(fèi)者選擇汽車的時(shí)候并沒(méi)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(guò)汽車重量是不容忽視的。

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

1. 材料選擇
輕量化最容易被認(rèn)為是一個(gè)材料選擇問(wèn)題。每位材料科學(xué)工程師和大多數(shù)機(jī)械工程師都對(duì)材料與輕量化的關(guān)系十分重視，可以選擇材料以達(dá)到與材料密度相關(guān)的某些性能目標(biāo)（強(qiáng)度，模量等）。在做材料選擇的時(shí)候，首先考慮符合所有設(shè)計(jì)要求的最低密度材料，當(dāng)然其他因素如可制造性（例如延展性）和成本也會(huì)發(fā)揮作用，并可能主導(dǎo)選擇考慮因素。

圖：材料與強(qiáng)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(jìn)一步的機(jī)會(huì)就是利用設(shè)計(jì)來(lái)降低所述結(jié)構(gòu)的總重量。通過(guò)“結(jié)構(gòu)”優(yōu)化，包括通過(guò)去除材料（尤其是通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)），或者通過(guò)一體化結(jié)構(gòu)實(shí)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(diǎn)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(guò)局部變化來(lái)模仿骨的硬度，不僅實(shí)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(guò)要通過(guò)點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(guò)連續(xù)建模需要注意的點(diǎn)，以及如何在蜂窩結(jié)構(gòu)材料中實(shí)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(jì)對(duì)“微觀”層面的胞元結(jié)構(gòu)帶來(lái)的力學(xué)性能影響，如何注意尺寸公差的影響，以及打印方向?qū)α�學(xué)性能的影響。

幾種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，包括蜂窩結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔泡沫，閉孔泡沫，點(diǎn)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(jī)會(huì)，從而實(shí)現(xiàn)輕量化。對(duì)于多功能的概念描述來(lái)自于Schaedler和Carter的2016年評(píng)論文章中的機(jī)翼原理圖，如圖所示。機(jī)翼的核心功能是產(chǎn)生升力。然而，從輕量化角度來(lái)看，我們感興趣的是構(gòu)成機(jī)翼的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在所有預(yù)期的環(huán)境條件下必須具有彈性，但它們也可以通過(guò)優(yōu)化重心位置和/或熱管理或能量存儲(chǔ)的方式進(jìn)行完善。而通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，則需要將這些局部結(jié)構(gòu)與連續(xù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如機(jī)翼和內(nèi)部管道的表皮）實(shí)現(xiàn)結(jié)合。

圖：Schaedler和Carter的2016年評(píng)論文章中的機(jī)翼原理圖

在多材料，高設(shè)計(jì)保真度的時(shí)代，我們?nèi)绾巫罴训毓餐瑑?yōu)化材料，以增材制造的方式實(shí)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(shí)現(xiàn)，另一方面由于當(dāng)前的材料選擇和成本限制仍然是進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。但是這些挑戰(zhàn)不會(huì)繼續(xù)存在十年，無(wú)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(lái)源： 3D科學(xué)谷