3D打印实现轻量化的四种途径

1、3D打印实现轻量化的四种途径轻量化结构的优势其实不难理解，以汽车为例，重量轻了，可 以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。 由于车辆轻，起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。以飞 机为例，重量变轻了则可以提高燃油效 率和载重量。要实现轻量化，宏观层面上可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝 合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来 达到目的。微观层面上可以通过采用高强度结构钢这样的材料使零 件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。而3D打印带来了通过结构设计层面上达到轻量化的可行性。具体 来说，3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种： 中空夹层/

2、薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形 拓扑优化结构。3D打印轻量化的学问途径1 :中空夹层、薄壁加筋结构中空夹 层、薄壁加筋结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子组合而 成。在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和 压应力，芯材主要 承担剪切应力，也承担部分压应力。夹层 结构具有质量轻、弯曲刚 度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音与隔热等优点。在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等 领域，大量使用夹层结构，减轻重量。如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，这种夹层结构被称作金属夹层结 构，西安钳力特在3D打印过程中，釆用夹层结构，实现构件的快 速轻量化，经过设计的夹层结构

3、对直接作用外部于蒙皮的拉压载荷 具有很好的分散作用，薄壁结构（比如壁厚1mm以下）也能对减重 做出贡献；夹层及类似结构可用作散热器，在零件上应用，极大 地提高零件的热交换面积，提高散热效率。途径2 :镂空点阵结构镂空点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学 性能以及制造费用的完美平衡。通过大量周期性复制单个胞元进行 设计制造，通过调整点阵的相对密度、胞元的形状、尺寸、材料以 及加载速率多种途径，来调节结构的强度、韧性等力学性能。三维镂空结构具有高度的空间对称性，可将外部载荷均匀分解，在 实现减重的同时保证承载能力。除了工程学方面的需求，镂空点阵 结构间具有空间孔隙（孔隙大小可调）

4、，在植入物的应用方面，可 以便于人体肌体（组织）与植入体的组织融合。镂空点阵单元设计有很高的的灵活性，根据使用的环境，可以设计 具有不同形状、尺寸、孔隙率的点阵单元。西安钳力特在这方面做 了不断的尝试：在构件强度要求高的区域，将点阵单元密度调整的 大一些，并选择结构强度高的镂空点阵单元；在构件减重需求高的 区域，添加轻量化幅度大的镂空点阵结构，镂空结构不仅可以规则 排列，也可以随机分布以便形成不规则的孔隙。另外，镂空结构还 可以呈现变密度、厚度的梯度过渡排列，以适应构件整体的梯度强 度要求。3D科学谷发现，有趣的是我们很多关注点放在点阵结构如何实现我 们需要的强度和灵活性，一些极为小众的研究还

5、包括如何获得需要 的“脆弱性”。之前，英国轻量化项目联盟就在研究如何压破点阵 结构。其应用场景是返航太空舱在进入地球空气层时候，压力和速 度的变化对舱体的力学结构带来很大挑战。通过增材制造Ti-6AI- 4V的点阵结构获得0. 4k/cm3的超轻密度，这样的结构需要设计成 在某种压力下会被“压破” 3D打印为镂空点阵单元在力学方面的 性能实现打开了一个新领域。途径3 : 一体化结构实现3D打印可以将原本 通过多个构件组合的零件进行一体化打E卩，这样不仅实现了零件的 整体化结构，避免了原始多个零 件组合时存在的连接结构（法兰、 焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实

6、现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企 业提升生产效益打开了可行性空间。这方面典型的案 例是GE通过 长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再 优化，将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个。通过3D打印 将结构实现一体化，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还 将喷油嘴的使用寿命提高了 5倍，并且将提高LEAP发动机的性 能。途径4 :异形拓扑优化结构拓扑优化是缩短增材制造设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确 定和去除那些不影响零件刚性的部位的材料。拓扑方法确定在一个 确定的设计领域内最佳的材料分布：包括边界条件、预张力，以及 负载等目标。拓扑优化对原始零件进行了材料的再分配，往往能实现基于减重要 求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经过仿真分析完成最终的 建模，这些设计往往无法通过传统加工方式加工，而通过3D打印 则可以实现。通常3D打印出来的产品与传统工艺制造出来的零件 还需要组装在一起，所以设计的同时还需要考虑两种零件结合部位 的