3D列印通過結構設計層面實現輕量化

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3D列印通過結構設計層面實現輕量化

工程師周亮 發表於 2018-06-12 09:45:00

　　商業航空業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的比較選擇（例如機票），這使得航空公司需要在燃油經濟性方面不斷提升，從而節約成本。增材製造（AM）早期在航空航天工業中被採用的關鍵原因是輕量化實現。具體來說，航空航天領域，3D列印通過結構設計層面實現輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、一體化結構實現、異形拓撲優化結構。
　　但是當涉及到汽車行業時，由於當前3D列印用於製造的高成本，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，創造了一種通過增材製造的座椅支架，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。儘管如此，這是一個很有前途的發展，因為它代表了增材製造向目前努力滲透的幾個方向邁出的一步 - 大規模生產。
　　福特T型車於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並沒有考慮太多關於汽車重量的因素，而是更多關注性能，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。隨著增材製造技術進入生產車間，進一步評估增材製造帶來的輕量化的四種策略，可以更加深入了解該領域的未來可能性。

　　--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機械工程師都對材料與輕量化的關係十分重視，可以選擇材料以達到與材料密度相關的某些性能目標（強度，模量等）。在做材料選擇的時候，首先考慮符合所有設計要求的最低密度材料，當然其他因素如可製造性（例如延展性）和成本也會發揮作用，並可能主導選擇考慮因素。

　　圖：材料與強度的Ashby plot

　　-- 2. 結構優化

　　重量是材料和結構組合的結果，一旦材料被選中，進一步的機會就是利用設計來降低所述結構的總重量。通過「結構」優化，包括通過去除材料（尤其是通過拓撲優化來實現），或者通過一體化結構實現即將結構合併為更少的部件，從而顯著減輕重量。

　　-- 3. 胞元結構

　　點陣結構或多孔材料使得在「微觀」的層面上降低產品的重量。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構來實現輕量化是不容易的事情，3D科學谷在《3D列印胞元結構建模的六大挑戰》一文中介紹過連續建模需要注意的點，以及如何在蜂窩結構材料中實現精確、均勻和各向同性材料，如何注意「宏觀」層面的外形設計對「微觀」層面的胞元結構帶來的力學性能影響，如何注意尺寸公差的影響，以及列印方向對力學性能的影響。

　　而在《胞元建模四大類型》一文中，3D科學谷曾詳細分享了幾種常見的結構，包括蜂窩結構，開孔泡沫，閉孔泡沫，點陣結構。

　　-- 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量和組裝設備（如緊固件）的方式使用材料和結構的機會，從而實現輕量化。對於多功能的概念描述來自於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生升力。然而，從輕量化角度來看，我們感興趣的是構成機翼的結構。這些結構在所有預期的環境條件下必須具有彈性，但它們也可以通過優化重心位置和/或熱管理或能量存儲的方式進行完善。而通過設計過程中，則需要將這些局部結構與連續拓撲結構（例如機翼和內部管道的表皮）實現結合。

　　圖：Schaedler和Carter的2016年評論文章中的機翼原理圖

　　在多材料，高設計保真度的時代，我們如何最佳地共同優化材料，以增材製造的方式實現更好的結構和功能？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，增材製造一方面將助力輕量化的實現，另一方面由於當前的材料選擇和成本限制仍然是進入大規模生產領域的挑戰。但是這些挑戰不會繼續存在十年，無論是在我們的道路上這將這些技術轉化為更輕的車輛，還是用於工程領域，增材製造的潛力正在發生作用。

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