浅谈轻量化设计：材料、创新技术及未来解决方案

轻量化设计是制造业的未来——一方面可以减少碳排放，另一方面可以实现更好的组件性能。在追求轻量化设计创新方面可观的环境和经济效益确保它在现在和未来几年都将继续成为许多行业的重要投资和研究领域。本文浅谈轻量化设计的材料、技术及未来解决方案。

轻量化设计的经济价值 

简单来说，轻量化设计是在不牺牲可靠性或功能的情况下减少组件中的材料量以降低其整体重量的行为。

目前各个国家都在要求各行各业减少能源消耗和温室气体排放。轻量化设计旨在为制造商提供应对气候变化挑战所需的解决方案，同时实现更好的组件性能并延长产品寿命。

这在汽车和航空航天行业最为常见，轻量化设计提高了燃油效率并提高了飞机和电动汽车的性能。然而，应该指出的是，轻量化设计也在推动建筑行业、可再生能源以及电气和电子产品制造领域的创新。更轻的组件降低了运输和能源成本，并在所有这些领域采用了更节约资源的生产方法。

轻量化具有广泛的应用场景

轻量化设计的关键材料 

轻量化的材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前汽车制造领域，轻量化材料主要包括铝合金、镁合金和钛合金。

• 铝合金

铝因其轻质特性而广泛用于汽车工业。汽车行业分析师表示，使用铝合金部件可以在不牺牲安全性或性能的情况下将车辆重量减轻多达50%。铝的延展性、耐用性和轻便性也使其成为制造消费品、电子产品和飞机的流行材料。

汽车工业从钢铁到铝的转变正在进行

随着混合动力和电动汽车趋势的继续，汽车制造商将继续将铝视为首选材料，因为它具有低成本、高性能和出色的减重特性。

• 镁合金

镁合金是所有结构金属中密度最低的，它比铝轻33%，比钛轻50%，比钢轻75%，因此有可能将部件重量减轻高达70%。

事实证明，镁合金对轻量化设计工程师来说是一种有价值的材料。镁易于加工，具有良好的结构强度，广泛用于汽车和航空航天工业以及制造消费品。在汽车领域，镁目前用作汽车动力总成或子组件封闭件。

它的低密度和高比强度意味着镁被用作从飞机到导弹再到笔记本电脑和电视的所有东西的轻质部件。除了组件和结构元件，镁基电池目前正在开发用于汽车行业。

镁在汽车中的应用

美国汽车材料合作组织的一项分析表明，113公斤的镁可以用来代替226公斤的钢。40公斤的镁可以用来代替68公斤的铝。这导致整车重量减少了15%。中国计划到2030年将汽车生产中使用的镁部件数量增加到每辆车45公斤。

2019年全球镁市场价值41.15亿美元，预计到2027年将达到59.281亿美元。中国生产了全球约85%的镁。

• 钛合金

钛具有高度的耐腐蚀性、抗磁性、对电场和电磁场的良好屏蔽、耐极端温度等特性，并且具有比钢更高的抗拉强度，而重量仅为钢的一半。

近年来，钛合金的生产取得了巨大的进步。它们被用于制造涡轮叶片、飞机框架、电阻器、电路板和手术器械等产品。汽车行业制造轻质钛合金排气系统、发动机、变速器和车架等。

全球对钛的需求预计将从2021年的247亿美元增加到2026年的335亿美元。

轻量化设计和制造技术的创新 

随着各行各业争相制造更轻的组件以满足其环境目标，制造技术的创新开始向前推进。

随着公司寻求新的方法来制造低成本、高性能的组件，流变铸造现在正在广泛取代触变铸造。流变铸造的主要优点之一是它能够以广泛的固体分数铸造金属，可有效且经济地生产具有高强度和良好延展性的轻质部件。

汽车轮架的轻量化设计

增材制造（3D打印）技术的进步为工程师提供了前所未有的设计自由度。增材制造可以使制造商以比传统压铸技术低得多的成本制造复杂的几何形状。增材制造还用于通过将实心几何形状转换为空心结构或用内部晶格结构替换实心结构来减轻部件重量。事实上，现在有一系列只能使用增材制造技术生产的轻量级部件。

未来轻量化的解决方案 

轻量化设计的未来将继续以铝、镁和钛合金的使用为主，但也将采用复合材料，如碳或玻璃纤维增强聚合物。许多公司现在正专注于开发用于航空航天和汽车行业的基于塑料的混合轻质部件。

计算机软件和增材制造技术的创新将允许开发更轻的产品、零件和结构。工程师可以通过使用专门的软件来确定可以最有效地减轻重量的区域，从而对一系列组件实现最大的拓扑优化。然后，数字化3D模型可以测试轻质部件的性能，以确定最佳设计选项。

仿生设计和仿生学可能代表着轻量化设计的未来（来自南航顾冬冬教授课题组）

仿生设计和仿生学可能代表着轻量化设计的未来。工程师和科学家正在生产基于自然界中发现的轻型多功能结构的组件。这方面的例子包括空客2050概念飞机，它采用了基于骨骼结构的机身。最近的研究工作集中在单细胞浮游生物的外骨骼、蜂窝结构、草茎结构以及蝴蝶的表皮细胞和翅膀上。

通过将不断寻求技术和科学创新与对自然的更深入了解相结合，制造商和行业将继续开发更轻、更强大的组件，以帮助人类实现减少CO2排放和应对气候变化的共同目标。

机械设计的内容讲解到此结束，欢迎各位进行补充。

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来源：非标机械专栏