輕量化設計作為一種先進的設計理念與設計方法，在汽車工業、航空航天、軌道交通等載具制造行業與其他大型工業結構裝備設計中都有充分的體現。從汽車工業的角度來講，在當下汽車保有量激增的背景下，這種集合了多種學科力量的設計手段對于應對能源危機與環境危機問題具有十分重要的戰略意義。

輕量化材料的設計開發

應用輕量化材料，特別是以熱塑性復合材料為代表的高分子材料，是當前汽車材料應用的主要趨勢。遺憾的是，受材料基礎研發與成本的限制，我國目前經濟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，這相當于發達國家上世紀90年代的水平，“以塑代鋼”任重道遠。

輕量化結構的應用

其內容主要包含結構設計與優化兩個方面：

• 結構優化方面：尺寸優化、拓撲優化、多學科優化等手段仍然是主流。
• 結構設計方面：得益于近年來增材制造技術的飛速發展，輕質高強、天然多孔的多孔蜂窩結構的設計與應用是不得不提的領域研究熱點。但相較于設計較為簡單的二維周期性蜂窩結構，設計潛力更大的三周期蜂窩結構尤其是三周期極小曲面結構因為制造難度較大、設計門檻較高，相關的“材料 - 結構 - 工藝”一體化研究仍然較少，綜合力學性能分析研究也不夠充分，仍然處于研究的起步階段。

輕量化工藝的應用

這方面內容在汽車工業上主要包含激光焊接、沖壓成型、輥壓成形等成型技術，以應對當前仍以高強鋼為主的汽車材料局勢。顯然，這些技術在面對“以塑代鋼”與“多孔蜂窩結構復雜結構”時則無能為力。因此將具有“革命性”意義的增材制造技術引入汽車工業制造是必要的、有戰略意義的重要舉措。

但無論從材料還是工藝來看，目前增材制造的熱塑性復合材料結構仍然成本較高、強度較低，因此對更加講求成本的汽車行業來說，對適應多孔蜂窩結構增材制造的熱塑性塑料進行“降低成本、提高強度”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，制備出價格更低、強度更高的復合材料熔融沉積打?。‵DM）絲材，通過差式掃描量熱、流變分析、熱失重分析、掃描電子顯微鏡、力學實驗等手段，對比不同組分條件下復合材料的熱學性能與力學性能，分析比對，得出最佳的滑石粉填充比例，并在此基礎上，對參數化設計出的不同結構參數三周期極小曲面結構進行打印，探究多結構參數對其準靜態壓縮的力學行為、吸能特性的影響，闡釋其內在的聯系與變化機理，為其在汽車吸能結構上的應用打下基礎。

增材制造技術的發展與原理

1983年，現3D System的聯合創始人Charles W. Hull（當時任美國UVP公司的副總裁）將紫外線技術應用于快速原型制造領域，發明了SLA（Stereo lithography，立體光固化）技術，標志著增材制造技術的誕生。

經過近40年的發展，增材制造技術（Additive Manufacturing）已經成為現代智能制造技術的重要組成部分，又稱3D打?。═hree Dimensions Print, 3DP）。不同于人類幾千年以來等材制造、減材制造的生產方式，增材制造時代的人類不再滿足于簡單的形狀塑造和對簡單均質材料的尺寸約束，人們可以通過增材制造技術實現實體成型的“從無到有”，通過對這個過程的控制，人們可以在加工的時空窗口中將加工物料、結構、工藝等各種信息“注入”實體加工過程，從而實現材料、結構、工藝甚至我們當下無法想象的其他信息的一體化。也就是說，增材制造不僅可以生產其他制造方式生產的實體，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，增材制造技術是“革命性的制造技術”。

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

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

是當前最為成熟、設計最為成功的3D打印技術之一。其原材料可以是熱塑性復合材料、石蠟甚至是金屬絲線，其原理是將這些原材料通過電加熱的方式融化后，通過做指定軌跡“x - y”平面運動的噴嘴擠出，附著在之前沉積的打印部分上，每打印完一層，噴嘴抬升一個層高，或者平臺下降一個層高，從而通過層層沉積實現三維立體造型。其原理簡單、原材料來源廣泛、材料利用率較高、可以實現復合材料打印，適應中小型零件的制造。

立體光固化（Stereo lithography Apparatus, SLA）

是最早發明的3D打印技術。其基本原理是聚合物單體與預聚體組成的光敏劑在紫外線照射下，發生聚合反應固化。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，每形成一個指定截面，平臺下降一個層高，層層遞進，從而形成三維實體。立體光固化可用的材料限制在光固化樹脂之內，其造型精度較高，打印體柔性較強，但打印過程有異味，不環保、制件不耐高溫、抗腐蝕性較差、強度較低。

選擇性激光融化（Selective laser melting, SLM）

激光選區增材制造是利用激光束，按照預定路徑自下而上將預先鋪設在二維截面上的金屬粉末熔化，逐層熔化凝固形成實體零件的增材制造技術。SLM和SLS（選擇性激光燒結，Selective Laser Sintering）都屬于激光增材制造技術，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可以制備更復雜的立體結構，能夠實現無余量加工，但其原理較為復雜，成本高昂，制件表面較為粗糙，需要經過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焊接（MIG)、鎢極惰性氣體保護焊接（TIG)以及等離子體焊接電源(PA）等焊機產生的電弧為熱源，通過絲材的添加，在程序的控制下，根據三維數字模型由線 - 面 - 體逐漸成形出金屬零件的先進數字化制造技術。這種技術沉積效率超高、成本較低、材料內部結構致密、成分均質化程度高，但制件表面十分粗糙，造型精度不高，對后期處理要求也較高。

我國3D打印產業發展情況

2017 - 2020年，我國3D打印產業規模逐年增加，增加速度要略快于全球整體增速，以致我國3D產業占全球的比重在不斷增加。根據2020年3月賽迪顧問發布的《2019年全球及中國3D打印行業數據》，2019年，中國3D打印產業規模為157.5億元，較上年增加31.1%。

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