3D打印实现制造轻量化：从材料到结构
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轻量化的实现途径主要有三大方面：一是材料的优化设计和应用；二是产品结构的优化设计；三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成以实现最终产品的轻量化制造，而这其中产品结构优化设计和材料的优化设计具有广大的研究和开发空间。本期我们讨论的重点是3D打印轻量化制造的第一部分，材料和工艺。
轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前的轻量化材料中，钢铁仍然保持主导地位，但钢铁材料的比例逐年下降，铝合金、钛合金、镁合金、工程塑料、复合材料等材料比例逐渐增加。这些材料在汽车制造领域的应用尤其广泛，我们讨论的重点也在该领域。
▌金属轻量化材料
铝合金
汽车上常见的合金材料大多为铝合金、镁合金。其中铝合金是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料，曾有研究表明铝合金在整车中最多可以使用540kg，这样的情况下汽车将减重40%，奥迪、丰田等的全铝车身就是很好的例子。
目前铝合金3D打印材料种类主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流。针对AlSi系列合金的力学性能不高，无法满足高强度要求的现状，目前开发出的高强铝合金有空客的Scalmalloy、英国铸造公司Aeromet International的A20X、长沙新材料产业研究院的AlMgSc系以及苏州倍丰的Al250C等。
奔驰汽车3D打印的铝合金恒温器盖
2017年，梅赛德斯-奔驰在制造业转型中迈出了重要一步：使用3D打印技术生产金属部件，其中就包括采用铸铝合金3D打印的奔驰卡车的恒温器。不仅如此，梅赛德斯-奔驰表示，该环节通过了所有严格的质量测试。
钛合金
钛合金的主要优点是低密度、高强度密度比和优异的耐腐蚀性，另外即使在温度升至500°C时仍能保持很高的强度。钛合金用于汽车与钢、铝合金以及镁合金相比的主要缺点是成本高，但其在汽车其他方面的应用具有轻量化的潜力，可用于制造悬架弹簧、排气系统等部件。
采用3D打印制造的布加迪跑车钛合金卡钳，重量由4.9公斤减少至2.9公斤
一个典型案例是布加迪对传统的刹车盘的设计优化，其采用高强钛合金代替传统铸铝，虽然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合结构设计，最终通过3D打印制造的卡钳重量减轻了40%。除此之外，钛合金作为一种高强轻量化材料，在航空航天领域具有极大的应用空间。
镁合金
镁合金也是一种强度较大的合金材料，现阶段我们可以在汽车轮毂、离合器等部件上看到它的身影，尽管它比铝合金更轻，但在汽车上的用量却很少，从目前来看世界一流的汽车上镁合金用量也仅为10kg，而自主品牌汽车镁合金用量则更少，仅为3kg左右。想要大规模的使用镁合金，还需在技术和成本上有所突破。关于镁合金的3D打印应用，目前多见于研究，公开报道的案例非常少见。
镁合金在汽车中的应用
▌非金属轻量化材料
碳纤维
除了合金以外，近些年汽车上也出现了一些新型轻量化材料，碳纤维就是其中之一。有研究表明，如果用强度可靠的碳纤维替代钢材，车身、底盘的质量将下降40%-60%，轻量化效果可见一斑。
多材料空间框架：铝合金+超高强度钢板+碳纤维增强复合材料
碳纤维目前无法直接用于3D打印，通常作为增强材料使用，包括基于激光烧结的短纤增强和基于FDM的长纤增强两种。将碳纤维嵌入到常规材料中，可以使部件强度提升几十倍，其强度重量比甚至超过很多金属材料。这种制造工艺更类似于新的材料设计，因此在轻量化方面有非常广的应用空间。
碳纤维长纤增强3D打印：左测基材，右侧增强材料
福特3D打印的碳纤维进气歧管
在2015年的托纳汽车耐力赛期间，福特采用碳纤维3D打印制造了赛车增压室进气歧管，部件的制造仅一周时间，从而为汽车开发工程师提供了更多的测试、调整和完善时间。除此之外，福特车队的赛车还包含众多其他的3D打印部件，为赛车的轻量化、快速制造提供了保障。此次比赛，该车队也赢得了冠军。
工程塑料
另一种轻量化的材料是工程塑料，多用于制造汽车内饰件、电器件、进气歧管、控制面板等部件，既可以用作原型验证，也可直接制造最终功能部件。武汉萨普曾采用尼龙材料打印了2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘，可对抗高温和高频振动，研发周期缩短了47%，制造成本降低了54%，而且还实现了轻量化。
3D打印的尼龙材料2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘
奥迪汽车3D打印一次成型彩色透明尾灯盖玻片
特种塑料的3D打印市场在近年来呈现增长趋势，这不仅体现在用于3D打印的特种材料的丰富，还包括打印设备、工艺以及应用的多样化。知名的特种塑料3D打印制造商还有Stratasys，其针对航空航天、汽车行业开发了专门的打印机和高性能材料，有的甚至已经获得了航空认证。
3D打印的汽车特种材料零件
特种材料的3D打印区别于传统的塑料打印机，它往往需要更高的打印温度和保温环境，在设备开发过程中往往具有一定的门槛。目前较为知名的FDM品牌有markforged、Roboze、Apium等，国内方面有一迈智能和上海远铸等公司。这些特种材料一般包括PA、PEEK、PEKK以及PEI等。
▌轻量化材料与先进制造工艺结合
轻量化材料的使用必须与产品设计和制造工艺相结合，只有这样才能达到有效的目的。开发适应轻量化材料的新工艺不仅可以加速新材料在汽车上的使用，同时还可以降低材料成本，有利于扩大应用。据汽车界人士预测，在今后十年中，汽车自身质量还将减轻20%，除了大量采用复合材料和轻质合金外，新材料的集成制造工艺会显著降低车身部件数量，车身设计方法也将发生重大变化。
3D打印作为一种先进的新型制造工艺之一，受到了来自汽车制造商的广泛重视，它的优势体现在增量制造所带来的材料浪费损失的降低，以及集成制造带来的轻量化效果的大幅提升。即便3D打印可直接制造的材料仍然有限，但在轻量化材料直接制造方面似乎并未遇到太多阻力。
目前，成熟的3D打印工艺和材料受到了很多汽车制造商的重视，大众、福特、宝马等汽车厂商均设立了包括增材制造在内的先进制造中心，这无疑为汽车的轻量化制造带来了更多机遇。
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