輕量化設計是制造業的未來——一方面可以減少碳排放，另一方面可以實現更好的組件性能。在追求輕量化設計創新方面可觀的環境和經濟效益確保它在現在和未來幾年都將繼續成為許多行業的重要投資和研究領域。本文淺談輕量化設計的材料、技術及未來解決方案。

輕量化設計的經濟價值

簡單來說，輕量化設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減少能源消耗和溫室氣體排放。輕量化設計旨在為制造商提供應對氣候變化挑戰所需的解決方案，同時實現更好的組件性能并延長產品壽命。

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

輕量化具有廣泛的應用場景

輕量化設計的關鍵材料

輕量化的材料就是可以用來減輕產品自重且可以提高產品綜合性能的材料。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重量減輕的方法。在當前汽車制造領域，輕量化材料主要包括鋁合金、鎂合金和鈦合金。

? 鋁合金

鋁因其輕質特性而廣泛用于汽車工業。汽車行業分析師表示，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、電子產品和飛機的流行材料。

汽車工業從鋼鐵到鋁的轉變正在進行

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

?鎂合金

鎂合金是所有結構金屬中密度最低的，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，具有良好的結構強度，廣泛用于汽車和航空航天工業以及制造消費品。在汽車領域，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彈再到筆記本電腦和電視的所有東西的輕質部件。除了組件和結構元件，鎂基電池目前正在開發用于汽車行業。

鎂在汽車中的應用

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。這導致整車重量減少了15%。中國計劃到2030年將汽車生產中使用的鎂部件數量增加到每輛車45公斤。

2019年全球鎂市場價值41.15億美元，預計到2027年將達到59.281億美元。中國生產了全球約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、電路板和手術器械等產品。汽車行業制造輕質鈦合金排氣系統、發動機、變速器和車架等。

全球對鈦的需求預計將從2021年的247億美元增加到2026年的335億美元。

輕量化設計和制造技術的創新

隨著各行各業爭相制造更輕的組件以滿足其環境目標，制造技術的創新開始向前推進。

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

汽車輪架的輕量化設計

增材制造（3D打印）技術的進步為工程師提供了前所未有的設計自由度。增材制造可以使制造商以比傳統壓鑄技術低得多的成本制造復雜的幾何形狀。增材制造還用于通過將實心幾何形狀轉換為空心結構或用內部晶格結構替換實心結構來減輕部件重量。事實上，現在有一系列只能使用增材制造技術生產的輕量級部件。

未來輕量化的解決方案

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

計算機軟件和增材制造技術的創新將允許開發更輕的產品、零件和結構。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域，從而對一系列組件實現最大的拓撲優化。然后，數字化3D模型可以測試輕質部件的性能，以確定最佳設計選項。

仿生設計和仿生學可能代表著輕量化設計的未來（來自南航顧冬冬教授課題組）

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

通過將不斷尋求技術和科學創新與對自然的更深入了解相結合，制造商和行業將繼續開發更輕、更強大的組件，以幫助人類實現減少CO2排放和應對氣候變化的共同目標。

審核編輯 ：李倩