3D打印技術(shù)正引領(lǐng)著很多產(chǎn)業(yè)的輕量化進(jìn)程，汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星幾乎任何東西都能變得更輕。那么什么是輕量化，輕量化有哪些好處，3D打印如何實(shí)現(xiàn)輕量化？

一、什么是輕量化

輕量化是一個(gè)制造的概念，使工業(yè)零件和產(chǎn)品的重量減輕，同時(shí)保持或增強(qiáng)其強(qiáng)度、機(jī)械性能。目前，很多行業(yè)都在基于3D打印，開(kāi)展輕量化的工作。

二、輕量化的好處

1、降低材料消耗，減少浪費(fèi)，節(jié)約成本；

2、優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)以獲得更高的性能。

在制造領(lǐng)域，材料浪費(fèi)是讓制造商非常頭疼的一個(gè)問(wèn)題，超過(guò)40%的制造成本與材料有關(guān)。事實(shí)上，通過(guò)設(shè)計(jì)可以優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)，減少材料的損耗，比如使用空心結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等等。只是這樣的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)工藝加工難度很大，是一個(gè)昂貴而耗時(shí)的過(guò)程。而3D打印可以很輕松地實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)，從而減輕重量。

比如通用航空從2015年開(kāi)始，就3D打印燃油噴嘴的前端。這個(gè)部件之前由20個(gè)零件組成，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，整合為了1個(gè)部件，重量減輕25%。

當(dāng)重量減輕后，飛機(jī)、汽車的燃油效率就會(huì)提升。例如，如果一架空客A320的重量?jī)H僅減少90千克，那么它每年可以節(jié)省2600多加侖的燃料。波音737飛機(jī)每減少0.45千克，就能減少數(shù)十萬(wàn)美元的年度運(yùn)營(yíng)成本。

同理，其他各種終端產(chǎn)品，重量減輕了，運(yùn)輸成本也會(huì)降低。因此，幾乎每個(gè)行業(yè)都能享受到輕量化帶來(lái)的成本降低。當(dāng)然，目前最熱衷的公司還是航空航天和汽車領(lǐng)域的公司。比如近些年來(lái)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛的電動(dòng)車，通過(guò)輕量化，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的里程。

三、3D打印如何實(shí)現(xiàn)輕量化

3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化，有兩個(gè)好幫手——拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)。3D打印帶來(lái)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是設(shè)計(jì)自由。給拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)提供了發(fā)揮的基礎(chǔ)。

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，在保持功能不變的情況下，可以盡可能多地從零件中消除材料。從本質(zhì)上講，AI算法解析零件的幾何形狀，受力情況，使其消耗盡可能少的材料，同時(shí)仍然提供類似或更高的性能。

比如，自行車的腳踏板支架，之前都是實(shí)心結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化之后，內(nèi)部改為了格子晶體結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定性不變的前提下，重量減輕了12%左右。目前已經(jīng)應(yīng)用于職業(yè)自行車比賽。

生成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的效果類似，只是方式相反，如果把拓?fù)鋬?yōu)化比喻成減法的話，生成設(shè)計(jì)就是加法。AI算法根據(jù)給定的材料和性能特征，通過(guò)無(wú)數(shù)次的模擬設(shè)計(jì)迭代，輸出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

空客旗下的子公司，就通過(guò)AI算法，設(shè)計(jì)了一臺(tái)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電動(dòng)摩托車，車架看著像一個(gè)外機(jī)械骨骼，去除了很多不必要的材料。最終，這臺(tái)電動(dòng)摩托車只有35千克，比一般的摩托車輕了大概30%。

不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這兩種方法，輸出的設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)造型往往復(fù)雜的幾何形狀或多個(gè)零件合并成一個(gè)，比如彎曲的內(nèi)部通道使用格子結(jié)構(gòu)填充。這樣的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)工藝是很難實(shí)現(xiàn)的，只能通過(guò)3D打印來(lái)制造。