摘要：结构轻量化设计要求在保证结构强度和刚度的前提下，尽量减少结构的重量。增材制造技术能够实现在结构中精确地添加材料，因此可以根据结构的负荷情况和力学要求，将材料只添加在必要的位置，从而最大限度地减少结构的重量。增材制造是一种通过逐层添加材料来制造物体的新兴制造技术，它具有结构轻量化设计的潜力。在增材制造中，材料只在需要的地方被添加，从而减少了材料的浪费，使得制造的结构更加轻量化。本文将探讨增材制造在结构轻量化设计中的要求。

关键词：增材制造；轻量化；结构设计；形成工艺；分析

1导言

增材制造技术具有设计自由度高的特点，可以制造出形状复杂的结构。在传统的制造方法中，往往需要通过加工和连接多个零件才能实现复杂结构的制造，这不仅增加了制造成本，还可能降低结构的强度和刚度。而增材制造则可以通过一次性制造出整个结构，避免了连接处的弱点，提高了结构的整体性能。增材制造技术还可以实现结构的局部优化设计。在传统的制造方法中，由于加工和连接的限制，往往无法实现结构的局部优化设计。而增材制造则可以根据结构的负荷情况，将材料只添加在受力较大的位置，从而提高结构的强度和刚度。

2增材制造技术概述

增材制造（Additive Manufacturing，AM），又称快速制造技术，是20世纪80年代发展起来的一种新制造技术。它集成了CAD、CAM、CNC、新材料技术以及激光技术等多种先进技术，采用材料堆积叠加的方法制造三维实体。增材制造结构轻量化设计还需要考虑制造过程中的工艺参数。不同的工艺参数可能会对结构的性能产生影响，因此需要通过优化工艺参数来实现结构的最佳设计。例如，调整材料的层厚和填充密度等工艺参数，可以实现结构的最佳性能。增材制造在结构轻量化设计中具有重要的应用价值。通过合理地使用增材制造技术，可以实现结构的轻量化设计，提高结构的强度和刚度，降低结构的重量，进而促进制造业的发展。相对于传统的材料去除-切削加工技术，增材制造技术是一种“自下而上”的新型材料成型方法。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、3D打印等多种称谓。

3.增材制造的轻量化结构设计与成形工艺优化背景分析

增材制造技术是美国科学基金会、国家自然科学基金委员会认定20世纪零件制造领域的一项重大创新，广泛受到世界科技强国和新兴国家的高度重视。它能够打破传统制造方式无法实现精密复杂零件制造的技术屏障。目前金属增材制造技术通过热源和原理可以分类为激光增材制造技术、电弧增材制造技术、电子束增材制造技术和搅拌摩擦焊增材制造技术等，其中激光和电弧增材制造技术的应用较为广泛，激光增材制造技术是以激光为热源，兼顾高性能和精确成形的一体化制造技术，但激光增材制造技术具有仪器成本高、制造效率低等限制。因此要不断加强轻量化结构设计与成形工艺优化分析。增材制造技术相比传统金属加工技术，其根据设定好的三维模型将焊丝或粉末进行层层熔融凝固制成所需要的零件，最后将基板上的零件进行切削打磨等后处理。下图为增材制造结构原理图。

4.分析增材制造的轻量化结构设计与成形工艺优化

4.1轻量化设计原理

轻量化设计是通过优化材料和结构，减少产品重量，从而降低碳排放并提高性能的一种设计理念。轻量化工程融合了材料力学、计算技术、材料科学以及制造技术等关键知识，其核心目标是在特定条件下实现结构的自重最小化，并确保其具有足够的寿命和可靠性。轻量化设计的主要途径包括轻量化结构设计和轻量化材料应用。

4.1.1轻量化结构设计

轻量化结构设计是通过模拟仿真等方法获得相对质量较轻的结构，包括尺寸优化、形状优化及拓扑优化。

（1）尺寸优化：结构尺寸优化设计变量通常是优化结构形状的相关尺寸（类似 于零件的长宽高等）。其主要是通过调节零件结构的尺寸参数以实现轻量化的目的。 在尺寸优化中，设计变量可以是离散的或连续的。尺寸优化改变的仅仅是对应结构的 尺寸参数。参照下图，设计参数即为优化对象，比如板厚、梁的截面宽、长和厚等。

（2）形状优化：对于结构形状优化设计，通常用于对材料之间的界面形状或者连续几何边界的形状的确定。形状优化常会改变结构的现有拓扑结构，主要改变的是与优化结构中的孔对应的边界曲线的形状。

（3）拓扑优化：结构拓扑优化可以在给定的外部负载和相关约束下合理的配置和分配材料，并最终对结构的某个性能指标进行轻量化。拓扑优化允许结构在轻量化时创建或者破坏孔以更改其原始结构。通常认为拓扑优化优于尺寸和形状优化，这可以大大降低材料利用成本。拓扑优化可实现结构材料布局的自主配置。

优化设计一般都包含三个要素：设计变量，目标函数，约束条件。其中设计变量是其发生改变提高设计后性能的一组参数；目标函数是最有设计性能即设计要求，是设计变量的函数；约束条件是对设计的整体限制，是对设计变量和其他性能提出的要求。基于OptiStruct（有限元结构分析和优化的软件）其优化的数学方程（1-1）可以表述为：

（最小化）Minimize：f（X）=f（x1，x2，x3…xn）

（约束条件）Subject to：gj（X）≤0  j=1，2，3…m        （1-1）

hk（X）≤0 k=1，2，3，…，mh

XL i≤Xi≤XU i

以上数学模型中，X=（x1，x2，x3，…，xn）是设计变量或设计参数，比如优化中结构尺寸，有限元等效应力，模型体积或质量等；f（X）是目标函数，g（X）与 h（X）为设计时对设计响应的约束，如设计时模型位移约束或应力约束。L即下限，U即上限。

目前常采用的轻量化结构有桁架结构、点阵夹芯结构和中空结构。

（1）桁架结构：是由一些细杆通过一些节点相连而成的。它能在节省材料、实现打印要求的同时，满足所需的物理强度、受力稳定性、自平衡性的要求。另外，还有根据桁架结构衍生的蒙皮-刚架结构，即外表面是薄壁结构，内部为铰接杆件。

（2）点阵夹芯结构：其在轻量化设计中的特点是，在优化结构的同时也能保证材料具有足够的强度。在航空航天工业中，点阵夹芯结构常被用于制作各种壁板，如翼面、舱面、舱盖、消声板、隔热板和卫星星体外壳等的制备。点阵夹芯结构在减重的同时，也可以起到其他特殊作用。这种结构在制造过程中的问题在于，很难去除黏附在框架上未熔融的金属粉末。

（3）中空结构：中空结构是外壳为薄壁、内部中空或内部添加简单支柱的结构。这种结构的缺点是需要内部支撑，而且支撑难去除或无法去除。

此外，起筋优化也是形状优化的一种，合理的起筋优化也可以轻量化结构。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，为设计人员提供了一种改进结构设计的有效方法，是结构优化最具发展前景的一个方面。

4.1.2轻量化材料应用

轻量化材料应用是采用高强度钢材、轻质铝合金、轻质非金属材料替换传统材料。确保材料性能前提下轻量化选择机械工程材料对充分发挥工程材料本身的性能潜力、保证材料具有良好的加工工艺性能以及获得理想的使用性能至关重要。常用工程材料按属性可分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑色金属和有色金属，非金属材料包括无机非金属材料和有机高分子材料。还有新兴的低密度高强度的材料，如将碳纤维用作增强材料，由于其高强度和高模量，并最终增强复合材料的性能。低密度合金钢，低密度合金能够减轻机械结构重量减少材料和能源消耗，例如 Fe-Mn-Al-C合金钢，密度相对较低，强度高，良好的抗疲劳性能。此外，还有复合材料，因复合效应具有比单一材料优越的综合性能，往往被作为轻量化材料的选择。选择材料时，首先要了解材料的基本特性，特别是力学性能（如强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性等），物理性能（如密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等），确保材料性能又可以轻量化，并根据使用条件和加工工艺性能进行选择。

此外，仿生学也为轻量化设计提供了方向，通过模仿自然界中生态构造的优化原理，实现智能化的设计。

4.2成形工艺现状分析

增材制造技术的成形工艺已逐渐从简单的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向发展。特别在航空航天、医疗等领域的应用更为深入。热压成型工艺具有突出的批量生产制造优势，通过将一定量的热压料放入对模中，通过一定的温度和压力加工成型。该技术具有生产效率高、自动化操作、产品尺寸准确的特点，适用于结构复杂的产品一次成型，无需二次加工。下面表格为某型S选择性激光熔融技术（SLM）打印机轻量化优化后的工艺参数范围。

4.3温度控制优化

有效的温度控制不仅能保障系统的稳定运行，还能大幅度提升能源使用效率。动态温度控制系统通常应用于需要实时调节温度的场合，如HVAC系统、工业加热系统、冷却系统等。先进的精准温控算法（如模糊控制、自适应控制、预测控制等）能够根据系统动态变化进行精细调节，避免能源浪费。智能热源分配、高效设备的选择以及热回收技术也是提升温控系统能效的重要手段。

4.4结构精度提升

在设备制作及安装过程中，必须高度重视尺寸精确性，确保整体结构尺寸精确和安装顺利。这包括对钢柱、钢梁及其连接件的尺寸和加工精度进行严格控制，避免在运输、吊卸、堆放过程中发生变形。在增材制造中，逐层熔覆、不断累加的方式能够实现一次成型，且材料间呈冶金结合，不存在薄弱区域，从而显著提升结构精度。

4.5强度与结合性强化

增材制造技术通过逐层熔覆的方式，能够实现复杂空芯夹层结构件的有效制造，并且材料间冶金结合，强度与结合性良好。直接强化和间接强化机制（如加工硬化、固溶强化、弥散强化、细晶强化等）也可以进一步提升复合材料的强度。直接强化通过界面将应力传递到增强体颗粒上，增强体颗粒承担部分载荷并阻碍基体变形。间接强化通过改变材料的微观组织来提升强度。混合强化则是直接强化与间接强化共同作用的结果。

4.6制造效率与成本

增材制造技术采用逐层堆积的方式，无需传统方法繁多步骤，能够实现一次成型，显著提升制造效率。此外，通过选择低成本高效率的增材制造技术，可以节约材料成本，提高材料利用率。热压成型工艺也具有较高的生产效率，自动化操作和产品尺寸准确的特点，进一步降低了生产成本。然而，仍需考虑材料成本、设备投资、维护费用等因素，确保轻量化设计的可行性和经济性。

5结论

综上所述，基于增材制造的轻量化结构设计与成形工艺优化研究在提升产品性能、降低制造成本、提高能源使用效率等方面具有重要意义。增材制造技术还可以实现多材料组合制造。在传统的制造方法中，往往只能使用单一材料进行制造，限制了结构的性能。而增材制造则可以通过在不同位置添加不同材料，实现结构的多材料组合制造，从而提高结构的性能。在进行增材制造结构轻量化设计时，还需要考虑材料的选择。选择合适的材料不仅可以满足结构的强度和刚度要求，还可以减少结构的重量。例如，采用高强度和轻量化的材料，如钛合金和铝合金，可以有效地降低结构的重量。

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