商業(yè)航空業(yè)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(zhì)的比較選擇（例如機票）盔雷，這使得航空公司需要在燃油經(jīng)濟性方面不斷提升帝璃，從而節(jié)約成本。增材制造（AM）早期在航空航天工業(yè)中被采用的關(guān)鍵原因是輕量化實現(xiàn)循贝，關(guān)于這方面衫喜，具體來說，航空航天領(lǐng)域尉利，3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計層面實現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)可丝、鏤空點陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)汤顷、異形拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)氓愿。

但是當(dāng)涉及到汽車行業(yè)時，由于當(dāng)前3D打印用于制造的高成本递促，很容易讓人懷疑它為消費者實施輕型汽車的潛力咪轩。最近，通用汽車（GM）攜手歐特克橘蹭，創(chuàng)造了一種通過增材制造的座椅支架憔辞，聲稱重量減輕了40％页衙，雖然成本不一定適合當(dāng)前的應(yīng)用場景摊滔，可能要好幾年才能在世界各地推出使用這些支架的汽車。盡管如此店乐，這是一個很有前途的發(fā)展艰躺，因為它代表了增材制造向目前努力滲透的幾個方向邁出的一步-大規(guī)模生產(chǎn)。

福特T型車于1907年首次下線眨八，重量約為當(dāng)今特斯拉3號車型的三分之一腺兴。今天，我們的汽車比一個世紀(jì)以前要重得多廉侧。事實上页响，在過去的二十年中，平均來說段誊，給定級別（汽車闰蚕，SUV，卡車）的汽車重量幾乎沒有變化连舍。當(dāng)然消費者選擇汽車的時候并沒有考慮太多關(guān)于汽車重量的因素没陡，而是更多關(guān)注性能，安全性和功能审亿，不過汽車重量是不容忽視的焊循。

一百多年來，工程師們一直在探索輕量化策略。隨著增材制造技術(shù)進入生產(chǎn)車間沈跷，進一步評估增材制造帶來的輕量化的四種策略暖麻，可以更加深入了解該領(lǐng)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藻拟。每位材料科學(xué)工程師和大多數(shù)機械工程師都對材料與輕量化的關(guān)系十分重視式蠢，可以選擇材料以達到與材料密度相關(guān)的某些性能目標(biāo)（強度，模量等）卑聚。在做材料選擇的時候遥妒，首先考慮符合所有設(shè)計要求的最低密度材料，當(dāng)然其他因素如可制造性（例如延展性）和成本也會發(fā)揮作用纽秽，并可能主導(dǎo)選擇考慮因素珍询。

圖：材料與強度的Ashbyplot

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化

重量是材料和結(jié)構(gòu)組合的結(jié)果，一旦材料被選中掰腌，進一步的機會就是利用設(shè)計來降低所述結(jié)構(gòu)的總重量策橘。通過“結(jié)構(gòu)”優(yōu)化，包括通過去除材料（尤其是通過拓撲優(yōu)化來實現(xiàn)）娜亿，或者通過一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)即將結(jié)構(gòu)合并為更少的部件丽已，從而顯著減輕重量。

3.胞元結(jié)構(gòu)

點陣結(jié)構(gòu)或多孔材料使得在“微觀”的層面上降低產(chǎn)品的重量买决。例如沛婴，在骨植入物中，通過局部變化來模仿骨的硬度督赤，不僅實現(xiàn)輕量化的目的嘁灯，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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輕量化是不容易的事情躲舌，在《3D打印胞元結(jié)構(gòu)建模的六大挑戰(zhàn)》一文中介紹過連續(xù)建模需要注意的點丑婿，以及如何在蜂窩結(jié)構(gòu)材料中實現(xiàn)精確、均勻和各向同性材料没卸，如何注意“宏觀”層面的外形設(shè)計對“微觀”層面的胞元結(jié)構(gòu)帶來的力學(xué)性能影響羹奉，如何注意尺寸公差的影響，以及打印方向?qū)αW(xué)性能的影響约计。

幾種常見的結(jié)構(gòu)诀拭，包括蜂窩結(jié)構(gòu)，開孔泡沫鸦呆，閉孔泡沫瓣挂，點陣結(jié)構(gòu)。

4.多功能

在輕量化的背景下畔香，多功能代表了以最終抵消部件數(shù)量和組裝設(shè)備（如緊固件）的方式使用材料和結(jié)構(gòu)的機會类埋，從而實現(xiàn)輕量化。對于多功能的概念描述來自于Schaedler和Carter的2016年評論文章中的機翼原理圖，如圖所示鼓辈。機翼的核心功能是產(chǎn)生升力攀瘟。然而，從輕量化角度來看失跷，我們感興趣的是構(gòu)成機翼的結(jié)構(gòu)诉玲。這些結(jié)構(gòu)在所有預(yù)期的環(huán)境條件下必須具有彈性，但它們也可以通過優(yōu)化重心位置和/或熱管理或能量存儲的方式進行完善叔梆。而通過設(shè)計過程中沫流，則需要將這些局部結(jié)構(gòu)與連續(xù)拓撲結(jié)構(gòu)（例如機翼和內(nèi)部管道的表皮）實現(xiàn)結(jié)合。

圖：Schaedler和Carter的2016年評論文章中的機翼原理圖

在多材料筑凫，高設(shè)計保真度的時代滑沧，我們?nèi)绾巫罴训毓餐瑑?yōu)化材料，以增材制造的方式實現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)和功能巍实？除了這些策略滓技，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棚潦，增材制造一方面將助力輕量化的實現(xiàn)令漂，另一方面由于當(dāng)前的材料選擇和成本限制仍然是進入大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。但是這些挑戰(zhàn)不會繼續(xù)存在十年丸边，無論是在我們的道路上這將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為更輕的車輛叠必，還是用于工程領(lǐng)域，增材制造的潛力正在發(fā)生作用原环。

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