在《3D打印实现制造轻量化：从材料到结构》的上篇中，我们介绍了轻量化的金属材料、碳纤维及工程塑料，并对这些材料的3D打印工艺和应用进行了介绍。本期我们推出下篇，即3D打印优化结构设计，实现制造轻量化的特点与意义。 ▌优化结构设计，降低材料使用要求 在经典的轻量化设计中，“通过替代材料减轻重量”一直是指导原则，因此，轻量化设计的附加值来自创新材料。然而，较轻的材料通常在采购、设计和使用方面都需要高昂的成本。现代轻量化设计会考虑整个系统，在概念阶段就已经专注于减轻重量。 赛车部件轻量化解决方案 采用优化设计的方法实现制造轻量化，不仅可以降低对材料的使用要求，还能减少昂贵材料的使用量，缩短加工时间。接下来，我们会介绍3D打印工艺条件下的结构优化方法以及在航空航天、汽车、医疗等领域的应用特点。 ▌轻量化结构设计方法 ●点阵结构大规模替代实体材料，减轻重量同时赋予结构功能性 在满足性能要求的前提下，采用点阵（网格）结构大幅减少了实体材料的用量，成为结构轻量化的重要手段。在传统上，金属网格结构的制造方式主要有机加工打孔和造孔剂成型，前者受到机加工条件的限制只能制造简单结构，而造孔剂造孔成型过程也并不完全可控。如今，增材制造技术极大释放了设计人员的自由度，网格结构设计的复杂程度也得以扩展，设计人员不必再过多考虑能不能实现的问题，而是哪种结构性能更好的问题。 点阵结构具有不同的胞元形状 网格结构的正向设计通过一系列的单元结构生成网格阵列，在实现轻量化的同时，填充结构的布局和设计又可产生隔振、吸声、吸能、传质等功能。组成网格阵列的单元结构也可产生不同的力学性能，关于最佳结构性能特征的设计特点以及提高网格结构可加工性和质量的设计规则也正在成为研究的趋势（研究详情请进QQ群下载）。 Materialise为Atos开发的轻量化卫星钛合金镶件（点击查看）网格结构的另一种设计方法是基于影像的反求法，主要应用于医疗领域。其原理是通过对自然骨的网格结构进行扫描，得到骨小梁结构的三维数据模型后，直接对三维模型数据进行修改设计，是基于逆向工程技术的一种延伸。这种方式设计的网格结构保留了生物网格结构的特征，但由于三角网格的数据非常庞大，对计算机的处理性能有较高要求。 基于人类松质骨CT影像数据，使用SLM技术直接制备具有类似人类松质骨结构的多孔Ti植入物，详情查看查看QQ群上传资料 ●拓扑优化为增材制造提供创新设计，增材制造为拓扑优化提供制造手段 拓扑优化是结构优化的另一重要手段，用于计算给定问题下最优的材料空间分布状态。一般而言，针对指定的目标，在给定的载荷、约束和边界条件下，通过拓扑优化算法可以在给定的设计区域内找到最佳结构配置。经拓扑优化后的零部件理论上可满足载荷需求，实现特定算法下的材料最优分布，可以获得在特定体积分数下的最优承力结构，从而实现结构的轻量化。 然而，拓扑优化的几何构型复杂，采用传统制造工艺制备非常困难，设计人员往往要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计，来满足可制造性，降低制造成本。这种做法往往会损坏结构的最优性，得到的结构性能甚至达不到已有构型。另一方面，受制于传统设计理念及制造工艺，结构往往仅进行宏观拓扑设计，并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间，使得产品性能提升非常有限。增材制造技术的出现，使得几何形式高度复杂结构的制备成为可能。著名设计专家程耿东院士提到，拓扑优化为增材制造提供了创新设计，增材制造为拓扑优化提供了制造手段。 ●创成式设计，突破设计极限，实现结构不断进化 创成式设计（Generative Design）是一个人机交互、自我创新的过程。通过算法，设计人员可以迭代数百甚至数千种不同的设计，而无需手工创建单个物理模型。通过输入不同的参数来创建多种设计结果，可以设置所需要的不同的应力水平、温度或湿度、零件可能在其工作环境中受到影响的其他因素，生成潜在的可行性设计方案，经过综合对比，筛选出设计方案供设计者进行最后决策。 通过创成式设计生成的轻量化丰田气缸盖 创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。而增材制造技术可以将复杂的设计变为现实，两者的发展正在改变着设计制造的模式。 ▌材料和结构协同制造，满足更高要求 在商用飞机、军机、火箭、卫星、汽车等领域，减重一直是永恒的话题。轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，新模式为减重进一步释放了空间。材料和结构协同制造，使满足更高要求成为可能。 西北工业大学的研究团队调研了应用于飞机和航空航天结构设计的拓扑优化技术的最新进展。通过重新分布材料布局和相应的承载路径，拓扑优化已被认为是在航空和航天工程应用中最有效的设计工具之一。同时，航空航天结构工程快速发展中突出的大量技术难题也推动了拓扑优化理论的进步（研究内容已上传）。 传统的观测卫星天线支架由几个独立的部分通过柳钉结合，重量大、发射成本高。通过拓补优化和3D打印，天线支架减轻了40%的重量，比最低要求强度提高了30%，降低了系统成本和燃料消耗，并顺利完成静动态测试和可靠性测试，成为航天认证产品。在汽车领域，传统的车身结构及设计方法可能不再适用，取而代之的是创成式的优化设计方法，它既能减少零件质量，又能延长零件使用寿命。创成式的优化设计方法还能使车身零件数大幅减少，未来也会成为轻量化制造的有效手段。 宝马i8 Roadster软顶支架迭代过程及通用汽车采用创成式设计将8个零件集成为1个 点阵结构基于其强大的功能性，其应用覆盖高端领域和普通消费品。在点阵结构中，单胞排列可以是相同的，也可以是不同的；可以是均匀的排列，也可以是不均匀的排列；甚至可以是不同的单胞、不同的排列方式进行排列，结构可以是千变万化，对应的性能也是千差万别。 钛合金混合晶格结构 点阵结构医疗植入物 在医疗器械中，点阵结构不仅可以实现植入体减重，还可以促进人体组织的长入，加速愈合过程。在军工应用领域，点阵结构还可实现隔振、吸声、吸能、传质等功能；在消费品领域，点阵结构也广泛应用于运动鞋、头盔等产品的制造。 不同品牌不同点阵结构的3D打印运动鞋（点击查看） END 3D打印技术与制造的复杂性基本无关，结构优化能为增材制造提供创新设计，而增材制造则为结构优化提供制造手段，两者的结合实际上互相成就了对方，成为各领域结构减重、推出创新产品的新模式。 而优化的结构设计结合高性能的材料，再利用3D打印技术，采用最佳的工艺流程，就有可能实现产品的最终优化目标。 本期上传内容： 1.SLM网格结构类型力学性能及最佳结构设计特点 2.SLM直接制备近人类松质骨结构的多孔Ti植入物研究 3.西工大：航空航天结构设计中的拓扑优化 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印实现制造轻量化：从材料到结构3D打印实现制造轻量化：从材料到结构 考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

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。 欢迎转发 延伸阅读： 奥迪实现高效3D打印产出的应用经验 大众汽车：在生产线上使用3D打印机进行车辆生产 福特汽车：借助3D打印技术重塑汽车生产线 FDM 3D打印技术如何助力汽车行业应用 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

增材制造技术的发展为航空发动机的设计和制造带来了诸多便利，但其在航空发动机上的应用大多局限于单个零件的加工制造，如何在整机的范畴上对增材制造技术加以利用，满足提高性能、可靠性、集成化和轻量化的需求，无疑是未来研究的重点方向。 微型涡喷发动机测试过程（GE2016） 近日，中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。本期，3D打印技术参考对该项目进行介绍。 全3D打印的涡喷发动机（中国航发2017） ▌项目总体思路和方案 该项目的预期目标是与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计、发动机轻量化设计，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计。 3D打印发动机研究总体思路（航发动研所2019） ▌发动机集成化设计研究 当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用3D打印直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大该技术的局限性。为此，项目团队须结合3D打印技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计的思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少零件数量，降低装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案，以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。 集成化设计思路 创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。 发动机集成化设计对比图（航发动研所2019） 微型涡喷发动机原模型结构优化及相应零件实物示例（中国航发2017） ▌发动机轻量化设计研究 结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。 轻量化设计方案 创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，最终实现整机减轻质量17.3%。 集成化静子件轻量化设计前后（航发动研所2019） 发动机结构优化前后质量对比 ▌空心叶轮盘冷却设计研究 根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。 新型冷却结构设计方案 ▌整机验证 发动机的转子件仍采用传统工艺制造，其他零部件均采用3D打印，串装后的发动机已完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。 3D打印的涡喷发动机零件成品状态（中国航发2017） 实验后发动机分解图（航发动研所2019） 为验证串装3D打印发动机的场外工作能力，创新团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验。 串装发动机航模试飞（航发动研所2019） END 中国航发动研所团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索3D打印技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。 项目的实施无疑能够使技术团队得到很好的训练，能够有效提高增材制造技术水平，积累更多的设计经验，有助于提升增材制造技术在国产大涵道比涡扇发动机中的工程化应用水平。 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印如何助力巡航导弹等高超声速武器制造 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738