輕量化設(shè)計是制造業(yè)的未來——一方面可以減少碳排放，另一方面可以實現(xiàn)更好的組件性能。在追求輕量化設(shè)計創(chuàng)新方面可觀的環(huán)境和經(jīng)濟效益確保它在現(xiàn)在和未來幾年都將繼續(xù)成為許多行業(yè)的重要投資和研究領(lǐng)域。本文淺談輕量化設(shè)計的材料、技術(shù)及未來解決方案。

輕量化設(shè)計的經(jīng)濟價值

簡單來說，輕量化設(shè)計是在不犧牲可靠性或功能的情況下減少組件中的材料量以降低其整體重量的行為。

目前各個國家都在要求各行各業(yè)減少能源消耗和溫室氣體排放。輕量化設(shè)計旨在為制造商提供應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)所需的解決方案，同時實現(xiàn)更好的組件性能并延長產(chǎn)品壽命。

這在汽車和航空航天行業(yè)最為常見，輕量化設(shè)計提高了燃油效率并提高了飛機和電動汽車的性能。然而，應(yīng)該指出的是，輕量化設(shè)計也在推動建筑行業(yè)、可再生能源以及電氣和電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域的創(chuàng)新。更輕的組件降低了運輸和能源成本，并在所有這些領(lǐng)域采用了更節(jié)約資源的生產(chǎn)方法。

輕量化具有廣泛的應(yīng)用場景

輕量化設(shè)計的關(guān)鍵材料

輕量化的材料就是可以用來減輕產(chǎn)品自重且可以提高產(chǎn)品綜合性能的材料。材料輕量化，指的是在滿足機械性能要求的前提下，通過采用輕量化的金屬和非金屬材料實現(xiàn)重量減輕的方法。在當(dāng)前汽車制造領(lǐng)域，輕量化材料主要包括鋁合金、鎂合金和鈦合金。

? 鋁合金

鋁因其輕質(zhì)特性而廣泛用于汽車工業(yè)。汽車行業(yè)分析師表示，使用鋁合金部件可以在不犧牲安全性或性能的情況下將車輛重量減輕多達50%。鋁的延展性、耐用性和輕便性也使其成為制造消費品、電子產(chǎn)品和飛機的流行材料。

汽車工業(yè)從鋼鐵到鋁的轉(zhuǎn)變正在進行

隨著混合動力和電動汽車趨勢的繼續(xù)，汽車制造商將繼續(xù)將鋁視為首選材料，因為它具有低成本、高性能和出色的減重特性。

?鎂合金

鎂合金是所有結(jié)構(gòu)金屬中密度最低的，它比鋁輕33%，比鈦輕50%，比鋼輕75%，因此有可能將部件重量減輕高達70%。

事實證明，鎂合金對輕量化設(shè)計工程師來說是一種有價值的材料。鎂易于加工，具有良好的結(jié)構(gòu)強度，廣泛用于汽車和航空航天工業(yè)以及制造消費品。在汽車領(lǐng)域，鎂目前用作汽車動力總成或子組件封閉件。

它的低密度和高比強度意味著鎂被用作從飛機到導(dǎo)彈再到筆記本電腦和電視的所有東西的輕質(zhì)部件。除了組件和結(jié)構(gòu)元件，鎂基電池目前正在開發(fā)用于汽車行業(yè)。

鎂在汽車中的應(yīng)用

美國汽車材料合作組織的一項分析表明，113公斤的鎂可以用來代替226公斤的鋼。40公斤的鎂可以用來代替68公斤的鋁。這導(dǎo)致整車重量減少了15%。中國計劃到2030年將汽車生產(chǎn)中使用的鎂部件數(shù)量增加到每輛車45公斤。

2019年全球鎂市場價值41.15億美元，預(yù)計到2027年將達到59.281億美元。中國生產(chǎn)了全球約85%的鎂。

?鈦合金

鈦具有高度的耐腐蝕性、抗磁性、對電場和電磁場的良好屏蔽、耐極端溫度等特性，并且具有比鋼更高的抗拉強度，而重量僅為鋼的一半。

近年來，鈦合金的生產(chǎn)取得了巨大的進步。它們被用于制造渦輪葉片、飛機框架、電阻器、電路板和手術(shù)器械等產(chǎn)品。汽車行業(yè)制造輕質(zhì)鈦合金排氣系統(tǒng)、發(fā)動機、變速器和車架等。

全球?qū)︹伒男枨箢A(yù)計將從2021年的247億美元增加到2026年的335億美元。

輕量化設(shè)計和制造技術(shù)的創(chuàng)新

隨著各行各業(yè)爭相制造更輕的組件以滿足其環(huán)境目標(biāo)，制造技術(shù)的創(chuàng)新開始向前推進。

隨著公司尋求新的方法來制造低成本、高性能的組件，流變鑄造現(xiàn)在正在廣泛取代觸變鑄造。流變鑄造的主要優(yōu)點之一是它能夠以廣泛的固體分數(shù)鑄造金屬，可有效且經(jīng)濟地生產(chǎn)具有高強度和良好延展性的輕質(zhì)部件。

汽車輪架的輕量化設(shè)計

增材制造（3D打印）技術(shù)的進步為工程師提供了前所未有的設(shè)計自由度。增材制造可以使制造商以比傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)低得多的成本制造復(fù)雜的幾何形狀。增材制造還用于通過將實心幾何形狀轉(zhuǎn)換為空心結(jié)構(gòu)或用內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)替換實心結(jié)構(gòu)來減輕部件重量。事實上，現(xiàn)在有一系列只能使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的輕量級部件。

未來輕量化的解決方案

輕量化設(shè)計的未來將繼續(xù)以鋁、鎂和鈦合金的使用為主，但也將采用復(fù)合材料，如碳或玻璃纖維增強聚合物。許多公司現(xiàn)在正專注于開發(fā)用于航空航天和汽車行業(yè)的基于塑料的混合輕質(zhì)部件。

計算機軟件和增材制造技術(shù)的創(chuàng)新將允許開發(fā)更輕的產(chǎn)品、零件和結(jié)構(gòu)。工程師可以通過使用專門的軟件來確定可以最有效地減輕重量的區(qū)域，從而對一系列組件實現(xiàn)最大的拓撲優(yōu)化。然后，數(shù)字化3D模型可以測試輕質(zhì)部件的性能，以確定最佳設(shè)計選項。

仿生設(shè)計和仿生學(xué)可能代表著輕量化設(shè)計的未來（來自南航顧冬冬教授課題組）

仿生設(shè)計和仿生學(xué)可能代表著輕量化設(shè)計的未來。工程師和科學(xué)家正在生產(chǎn)基于自然界中發(fā)現(xiàn)的輕型多功能結(jié)構(gòu)的組件。這方面的例子包括空客2050概念飛機，它采用了基于骨骼結(jié)構(gòu)的機身。最近的研究工作集中在單細胞浮游生物的外骨骼、蜂窩結(jié)構(gòu)、草莖結(jié)構(gòu)以及蝴蝶的表皮細胞和翅膀上。

通過將不斷尋求技術(shù)和科學(xué)創(chuàng)新與對自然的更深入了解相結(jié)合，制造商和行業(yè)將繼續(xù)開發(fā)更輕、更強大的組件，以幫助人類實現(xiàn)減少CO2排放和應(yīng)對氣候變化的共同目標(biāo)。

審核編輯 ：李倩