1、3D打印實現輕量化的四種途徑輕量化結構的優勢其實不難理解，以汽車為例，重量輕了，可 以帶來更好的操控性，發動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。 由于車輛輕，起步時加速性能更好，剎車時的制動距離更短。以飛 機為例，重量變輕了則可以提高燃油效 率和載重量。要實現輕量化，宏觀層面上可以通過采用輕質材料，如鈦合金、鋁 合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復合材料等材料來 達到目的。微觀層面上可以通過采用高強度結構鋼這樣的材料使零 件設計得更緊湊和小型化，有助于輕量化。而3D打印帶來了通過結構設計層面上達到輕量化的可行性。具體 來說，3D打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/

2、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。3D打印輕量化的學問途徑1 :中空夾層、薄壁加筋結構中空夾 層、薄壁加筋結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子組合而 成。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔拉應力和 壓應力，芯材主要 承擔剪切應力，也承擔部分壓應力。夾層 結構具有質量輕、彎曲剛 度與強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音與隔熱等優點。在航空、風力發電機葉片、體育運動器材、船舶制造、列車機車等 領域，大量使用夾層結構，減輕重量。如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，這種夾層結構被稱作金屬夾層結 構，西安鉗力特在3D打印過程中，釆用夾層結構，實現構件的快 速輕量化，經過設計的夾層結構

3、對直接作用外部于蒙皮的拉壓載荷 具有很好的分散作用，薄壁結構（比如壁厚1mm以下）也能對減重 做出貢獻；夾層及類似結構可用作散熱器，在零件上應用，極大 地提高零件的熱交換面積，提高散熱效率。途徑2 :鏤空點陣結構鏤空點陣結構可以達到工程強度、韌性、耐久性、靜力學、動力學 性能以及制造費用的完美平衡。通過大量周期性復制單個胞元進行 設計制造，通過調整點陣的相對密度、胞元的形狀、尺寸、材料以 及加載速率多種途徑，來調節結構的強度、韌性等力學性能。三維鏤空結構具有高度的空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在 實現減重的同時保證承載能力。除了工程學方面的需求，鏤空點陣 結構間具有空間孔隙（孔隙大小可調）

4、，在植入物的應用方面，可 以便于人體肌體（組織）與植入體的組織融合。鏤空點陣單元設計有很高的的靈活性，根據使用的環境，可以設計 具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。西安鉗力特在這方面做 了不斷的嘗試：在構件強度要求高的區域，將點陣單元密度調整的 大一些，并選擇結構強度高的鏤空點陣單元；在構件減重需求高的 區域，添加輕量化幅度大的鏤空點陣結構，鏤空結構不僅可以規則 排列，也可以隨機分布以便形成不規則的孔隙。另外，鏤空結構還 可以呈現變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應構件整體的梯度強 度要求。3D科學谷發現，有趣的是我們很多關注點放在點陣結構如何實現我 們需要的強度和靈活性，一些極為小眾的研究還

5、包括如何獲得需要 的“脆弱性”。之前，英國輕量化項目聯盟就在研究如何壓破點陣 結構。其應用場景是返航太空艙在進入地球空氣層時候，壓力和速 度的變化對艙體的力學結構帶來很大挑戰。通過增材制造Ti-6AI- 4V的點陣結構獲得0. 4k/cm3的超輕密度，這樣的結構需要設計成 在某種壓力下會被“壓破” 3D打印為鏤空點陣單元在力學方面的 性能實現打開了一個新領域。途徑3 : 一體化結構實現3D打印可以將原本 通過多個構件組合的零件進行一體化打E卩，這樣不僅實現了零件的 整體化結構，避免了原始多個零 件組合時存在的連接結構（法蘭、 焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現功能最優化設計。一體化結構的實

6、現除了帶來輕量化的優勢，減少組裝的需求也為企 業提升生產效益打開了可行性空間。這方面典型的案 例是GE通過 長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優化、測試、再 優化，將噴油嘴的零件數量從20多個減少到一個。通過3D打印 將結構實現一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還 將噴油嘴的使用壽命提高了 5倍，并且將提高LEAP發動機的性 能。途徑4 :異形拓撲優化結構拓撲優化是縮短增材制造設計過程的重要手段，通過拓撲優化來確 定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在一個 確定的設計領域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預張力，以及 負載等目標。拓撲優化對原始零件進行了材料的再分配，往往能實現基于減重要 求的功能最優化。拓撲優化后的異形結構經過仿真分析完成最終的 建模，這些設計往往無法通過傳統加工方式加工，而通過3D打印 則可以實現。通常3D打印出來的產品與傳統工藝制造出來的零件 還需要組裝在一起，所以設計的同時還需要考慮兩種零件結合部位 的