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)勢其實(shí)不難理解，以汽車為例，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能夠產(chǎn)生更高的加速度。由于車輛輕，起步時(shí)加速性能更好，剎車時(shí)的制動(dòng)距離更短。以飛機(jī)為例，重量變輕了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)合材料等材料來達(dá)到目的。微觀層面上可以通過采用高強(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打印帶來了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來說，3D打印通過結(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、列車機(jī)車等領(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)被稱作金屬夾層結(jié)構(gòu)，西安鉑力特在3D打印過程中，采用夾層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速輕量化，經(jīng)過設(shè)計(jì)的夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（比如壁厚1mm以下）也能對減重做出貢獻(xiàn)；夾層及類似結(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。通過大量周期性復(fù)制單個(gè)胞元進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，通過調(diào)整點(diǎn)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(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)具有高度的空間對稱性，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、厚度的梯度過渡排列，以適應(yīng)構(gòu)件整體的梯度強(qiáng)度要求。

　　3D科學(xué)谷發(fā)現(xiàn)，有趣的是我們很多關(guān)注點(diǎn)放在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)我們需要的強(qiáng)度和靈活性，一些極為小眾的研究還包括如何獲得需要的“脆弱性”。之前，英國輕量化項(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艙體的力學(xué)結(jié)構(gòu)帶來很大挑戰(zhàn)。通過增材制造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)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產(chǎn)效益打開了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過長達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)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(gè)減少到一個(gè)。通過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(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)過程的重要手段，通過拓?fù)鋬?yōu)化來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)過仿真分析完成最終的建模，這些設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。通常3D打印出來的產(chǎn)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(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)。

　　3D科學(xué)谷介紹的以上四種3D打印結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械輕量化的其中一個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械輕量化是一個(gè)系統(tǒng)的工程，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)用都是輕量化探索道路上不可或缺的。