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3D打印实现轻量化的四种途径

2017.11.09

　　近些年，在工业和产品设计发展上，轻量化结构越来越得到企业和设计师的重视，这也将是起到跨越瓶颈的关键突破。

　　轻量化结构的优势其实不难理解，以汽车为例，重量轻了，发动机输出的动力能够产生更高的加速度，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。

　　宏观层面：可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来达到目的。

　　微观层面：可以通过采用高强度的结构设计（可通过3D打印实现），使零件设计得更紧凑和小型化，达到轻量化的可行性。

　　●中空夹层/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

　　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。

　　镂空点阵结构通过大量周期性复制单个胞元，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，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。

　　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。

　　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印，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。

　　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，对原始零件进行了材料的再分配，实现基于减重要求的功能最优化。拓扑方法可以确定一个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。

　　以上四种3D打印结构是实现机械轻量化的其中一个方向，实现机械轻量化是一个系统的工程，从每一个关键零部件的设计优化、制造，到轻量化材料的研发与应用都是轻量化探索道路上不可或缺的。

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