汽车轻量化是提高燃油效率并减少车辆碳排放的有效方式。国际能源署（International Energy Agency）表示，全球二氧化碳排放量中约有24％来自交通运输，包括公路，铁路，航空和海运，其中公路车辆是最大的“罪魁祸首”。
在宏观层面上，实现轻量化可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来达到目的。微观层面上，可以通过采用高强度材料，将零件设计得更紧凑和小型化。增材制造-3D打印技术为制造实现功能集成、紧凑型轻量化零部件带来了空间。
本田汽车正在进行多个减轻车身部件重量的项目，涉及到的零部件包括车身框架、发动机、曲轴、螺栓。本期，3D科学谷将分享日本本田汽车研发部门在曲轴轻量化方面所取得的进展，本田在项目中应用了创成式设计和3D打印技术。
经渲染的创成式设计曲轴模型。来源：Honda R&D, Autodesk
不一样的设计，不一样的重量
曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。[1]
传统曲轴 [1]
这些因素决定了曲轴的形状。曲轴的设计多年来已经固定下来，而本田设定的挑战性目标是通过创新性的设计，将曲轴减重30%。
创成式设计和增材制造-3D打印技术，是本田实进行曲轴设计创新，实现减重目标的关键工具。本田研发部门一直在密切研究增材制造技术。在设计方面，本田研部门应用了拓扑优化技术，之后又引入了创成式设计技术，并通过该技术进行设计迭代。在使用过程中，本田发现创成式技术可以改变传统的设计规范。
金属3D打印轻量化曲轴原型。来源：Honda R&D, Autodesk
以往本田采用的设计方式是，设计师经验提出设计方案，然后进行分析和完善。在新的轻量化曲轴设计项目中，本田研发部门与Autodesk合作，使用Netfabb和Fusion 360软件进行轻量化零件设计。本田向Autodesk提供有关曲轴重量和各种操作限制的数据，软件中的创成式设计技术，快速生成了满足本田要求的首批曲轴设计原型，而设计师可以将首批设计中得到的反馈快速应用于下一步的设计工作。
首批原型的数据使本田重新考虑了曲轴的材料布局和强度标准，从而为零件带来了新的边界条件。在此基础上，团队开展了第二批曲轴模型的设计。新的曲轴设计最终实现了50％的减重，超出了最初设定的减重目标，但零件的刚度和强度是否满足要求，仍需进行验证。
本田的设计团队将通过创成式设计开发的轻量化曲轴原型安装到发动机上进行性能测试，并获得了大量数据。Autodesk 使用本田测试的数据改进其创成式设计的流程。
本田通过创成式设计得到了多种考虑需要设计限制的模型，例如适合增材制造的模型、基于模具制造及5轴加工的模型。这个设计项目中所得到的适合增材制造的曲轴模型，揭示了实现曲轴增材制造-3D打印的可能性。虽然在实现减重方面还有很多其他切入点，但本田研发部门通过已取得的轻量化设计成果，看到了未来的目标，并希望能够将创成式设计作为开发新产品的常态技术。
3D科学谷Review
增材制造-3D打印正在快速发展，这背后的驱动因素是3D打印释放了设计的自由度，所以我们需要重新想象我们的设计以适应新的生产潜力。而创成式设计正是能够适应3D打印技术的设计方式之一，而本田曲轴轻量化设计项目，正是将这种设计技术与3D打印相结合，探索轻量化的全新可能。
很多人以为创成式设计是拓扑优化或程序建模的一个分支。但实际上，创成式设计是是一个人工智能驱动的流程，利用云来通过探索成千上万的建模可能性来推动创新设计，而不是简单地从原来的设计方案中探索如何减少材料。延伸阅读：设计和制造一体化，自动化的承诺始于创成式设计
创成式设计能够创造出手动建模所不易获得的设计方案，它们拥有复杂几何结构，而增材制造技术在工业制造中的应用优势之一是制造复杂的结构，可以说创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”，创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。延伸阅读：专栏 l 个性化设计、参数控制变化、轻量化，三大案例看创成式设计的应用价值
根据3D科学谷的市场观察，创成式设计+增材制造-3D打印，已成为汽车、飞机制造商探索零部件轻量化制造的新方式。以下两个在汽车、新能源车辆制造中的典型应用案例，清晰的反应了这一趋势。
通用汽车在通用汽车密歇根州沃伦技术中心重新设计了汽车座椅支架 – 座椅安全带固定部位。只需要定义零件需要实现的性能参数（包括所需的连接点，强度和质量），创成式设计软件就产生了超过150种有效的设计选项，新设计比原来的部件轻40％，强20％，并将八个不同的部件整合到一个增材制造部件中。
城市电动汽车Fun Utility Vehicle（FUV）中应用了创成式设计与3D打印的轻量化零件，包括摆臂、转向节、上控制臂和制动踏板。设计师使用了CogniCAD创成式设计平台，首先将CAD文件导入平台，然后定义加载和设计标准。几分钟之内，就可以获得验证并可以进行3D打印的设计。设计师只需在其中设置性能要求，零件负载和要削减的重量，然后在10到20分钟内即可提供优化的现成设计，并且对零件执行完整的有限元分析。最终，后摇臂的重量比原始零件减少了34％；与原始零件相比，转向节的重量减轻了36％；与原始零件相比，上控制臂的重量减轻了52％；与原始零件相比，制动踏板的重量减轻了49％。
汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，已成为汽车发展的潮流。不仅如此，更加符合节能减排理念的新能源车辆，对于轻量化提出了更高的要求。本田开展的曲轴轻量化设计与增材制造虽然仍处在研究阶段，但其中应用的设计与制造方式在汽车零部件轻量化创新领域未来可期。
深入了解汽车零部件增材制造，请点击查看《3D打印与新能源汽车白皮书》或前往3D科学谷3D打印产业链QQ群（群号：529965687），群文件-白皮书文件夹中下载完整版pdf白皮书。
参考资料：
[1] 科普中国
白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言
