輕量化設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)方法，在汽車工業(yè)、航空航天、軌道交通等載具制造行業(yè)與其他大型工業(yè)結(jié)構(gòu)裝備設(shè)計(jì)中都有充分的體現(xiàn)。從汽車工業(yè)的角度來(lái)講，在當(dāng)下汽車保有量激增的背景下，這種集合了多種學(xué)科力量的設(shè)計(jì)手段對(duì)于應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)問(wèn)題具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

輕量化材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

應(yīng)用輕量化材料，特別是以熱塑性復(fù)合材料為代表的高分子材料，是當(dāng)前汽車材料應(yīng)用的主要趨勢(shì)。遺憾的是，受材料基礎(chǔ)研發(fā)與成本的限制，我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)型轎車塑料平均用量在50～60 kg，中型貨車則為40～50 kg，重型貨車為80kg，這相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家上世紀(jì)90年代的水平，“以塑代鋼”任重道遠(yuǎn)。

輕量化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

其內(nèi)容主要包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化兩個(gè)方面：

• 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面：尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、多學(xué)科優(yōu)化等手段仍然是主流。
• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：得益于近年來(lái)增材制造技術(shù)的飛速發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)、天然多孔的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是不得不提的領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。但相較于設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的二維周期性蜂窩結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)潛力更大的三周期蜂窩結(jié)構(gòu)尤其是三周期極小曲面結(jié)構(gòu)因?yàn)橹圃祀y度較大、設(shè)計(jì)門檻較高，相關(guān)的“材料 - 結(jié)構(gòu) - 工藝”一體化研究仍然較少，綜合力學(xué)性能分析研究也不夠充分，仍然處于研究的起步階段。

輕量化工藝的應(yīng)用

這方面內(nèi)容在汽車工業(yè)上主要包含激光焊接、沖壓成型、輥壓成形等成型技術(shù)，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前仍以高強(qiáng)鋼為主的汽車材料局勢(shì)。顯然，這些技術(shù)在面對(duì)“以塑代鋼”與“多孔蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)”時(shí)則無(wú)能為力。因此將具有“革命性”意義的增材制造技術(shù)引入汽車工業(yè)制造是必要的、有戰(zhàn)略意義的重要舉措。

但無(wú)論從材料還是工藝來(lái)看，目前增材制造的熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仍然成本較高、強(qiáng)度較低，因此對(duì)更加講求成本的汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，對(duì)適應(yīng)多孔蜂窩結(jié)構(gòu)增材制造的熱塑性塑料進(jìn)行“降低成本、提高強(qiáng)度”的改性頗具研究意義。

在這樣的背景下，本研究將從尼龍6的滑石粉共混改性著手，制備出價(jià)格更低、強(qiáng)度更高的復(fù)合材料熔融沉積打印（FDM）絲材，通過(guò)差式掃描量熱、流變分析、熱失重分析、掃描電子顯微鏡、力學(xué)實(shí)驗(yàn)等手段，對(duì)比不同組分條件下復(fù)合材料的熱學(xué)性能與力學(xué)性能，分析比對(duì)，得出最佳的滑石粉填充比例，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)出的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三周期極小曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印，探究多結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的力學(xué)行為、吸能特性的影響，闡釋其內(nèi)在的聯(lián)系與變化機(jī)理，為其在汽車吸能結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

增材制造技術(shù)的發(fā)展與原理

1983年，現(xiàn)3D System的聯(lián)合創(chuàng)始人Charles W. Hull（當(dāng)時(shí)任美國(guó)UVP公司的副總裁）將紫外線技術(shù)應(yīng)用于快速原型制造領(lǐng)域，發(fā)明了SLA（Stereo lithography，立體光固化）技術(shù)，標(biāo)志著增材制造技術(shù)的誕生。

經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing）已經(jīng)成為現(xiàn)代智能制造技術(shù)的重要組成部分，又稱3D打印（Three Dimensions Print, 3DP）。不同于人類幾千年以來(lái)等材制造、減材制造的生產(chǎn)方式，增材制造時(shí)代的人類不再滿足于簡(jiǎn)單的形狀塑造和對(duì)簡(jiǎn)單均質(zhì)材料的尺寸約束，人們可以通過(guò)增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體成型的“從無(wú)到有”，通過(guò)對(duì)這個(gè)過(guò)程的控制，人們可以在加工的時(shí)空窗口中將加工物料、結(jié)構(gòu)、工藝等各種信息“注入”實(shí)體加工過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、工藝甚至我們當(dāng)下無(wú)法想象的其他信息的一體化。也就是說(shuō)，增材制造不僅可以生產(chǎn)其他制造方式生產(chǎn)的實(shí)體，更可以制造信息承載的“載體”，即其具備“信息”甚至“思想”的賦予潛力，因此，增材制造技術(shù)是“革命性的制造技術(shù)”。

具體操作原理的不同，增材制造技術(shù)可以劃分為十多種，可以對(duì)熱塑性塑料及其復(fù)合材料、金屬合金、石膏、陶瓷等進(jìn)行打印，下面對(duì)其中最具有代表性的4種3D打印技術(shù)進(jìn)行介紹：

熔融沉積成型（Fused deposition modeling, FDM）

是當(dāng)前最為成熟、設(shè)計(jì)最為成功的3D打印技術(shù)之一。其原材料可以是熱塑性復(fù)合材料、石蠟甚至是金屬絲線，其原理是將這些原材料通過(guò)電加熱的方式融化后，通過(guò)做指定軌跡“x - y”平面運(yùn)動(dòng)的噴嘴擠出，附著在之前沉積的打印部分上，每打印完一層，噴嘴抬升一個(gè)層高，或者平臺(tái)下降一個(gè)層高，從而通過(guò)層層沉積實(shí)現(xiàn)三維立體造型。其原理簡(jiǎn)單、原材料來(lái)源廣泛、材料利用率較高、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料打印，適應(yīng)中小型零件的制造。

立體光固化（Stereo lithography Apparatus, SLA）

是最早發(fā)明的3D打印技術(shù)。其基本原理是聚合物單體與預(yù)聚體組成的光敏劑在紫外線照射下，發(fā)生聚合反應(yīng)固化。其工作原理是置于盛滿光敏樹脂液體槽上的紫外光按照切片給定的路徑照射光敏樹脂，使其光固化成制定的截面形狀，每形成一個(gè)指定截面，平臺(tái)下降一個(gè)層高，層層遞進(jìn)，從而形成三維實(shí)體。立體光固化可用的材料限制在光固化樹脂之內(nèi)，其造型精度較高，打印體柔性較強(qiáng)，但打印過(guò)程有異味，不環(huán)保、制件不耐高溫、抗腐蝕性較差、強(qiáng)度較低。

選擇性激光融化（Selective laser melting, SLM）

激光選區(qū)增材制造是利用激光束，按照預(yù)定路徑自下而上將預(yù)先鋪設(shè)在二維截面上的金屬粉末熔化，逐層熔化凝固形成實(shí)體零件的增材制造技術(shù)。SLM和SLS（選擇性激光燒結(jié)，Selective Laser Sintering）都屬于激光增材制造技術(shù)，不同的是SLS功率較小，主要使用尼龍作為原材料，SLM使用金屬作為原材料，功率較大。SLM可以制備更復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)余量加工，但其原理較為復(fù)雜，成本高昂，制件表面較為粗糙，需要經(jīng)過(guò)后期處理才可以使用。

電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacture, WAAM）

是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊接（MIG)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊接（TIG)以及等離子體焊接電源(PA）等焊機(jī)產(chǎn)生的電弧為熱源，通過(guò)絲材的添加，在程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線 - 面 - 體逐漸成形出金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。這種技術(shù)沉積效率超高、成本較低、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、成分均質(zhì)化程度高，但制件表面十分粗糙，造型精度不高，對(duì)后期處理要求也較高。

我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

2017 - 2020年，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增加，增加速度要略快于全球整體增速，以致我國(guó)3D產(chǎn)業(yè)占全球的比重在不斷增加。根據(jù)2020年3月賽迪顧問(wèn)發(fā)布的《2019年全球及中國(guó)3D打印行業(yè)數(shù)據(jù)》，2019年，中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為157.5億元，較上年增加31.1%。

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