許多技術創新都基于自然界中生物結構的設計。通過不斷進化，大自然在數百萬年間已學會根據各種形狀的功能對形狀進行調整，從而最大程度地提高效率。當工程師設法構建堅固而輕盈的結構時，這些自然界中的示例可以提供重要線索。在目前的研究項目中，Laser Zentrum Nord (LZN)和漢堡-哈爾堡工業大學(TUHH)正著手研究如何將創新型設計方法與激光增材制造相結合，并利用生物示例，挖掘輕量化結構的新潛力。

骨骼等自然結構展示出了極高的材料效率。然而，生產類似結構對于制造企業而言則是一大挑戰。在尋找新方法來實現輕量化策略的研究過程中，新的制造方法開始發揮作用。激光增材制造（即選擇性激光熔融）特別適合生產極其復雜的幾何結構，它采用激光一層層地掃描堆積的金屬粉末，使金屬粉末選擇性地熔化。這種方法不但適用于生產單個樣機，而且還適用于生產在航空和汽車行業中用作支撐結構的高承重金屬部件。此類部件在各自應用領域已證明了自身的價值。

LZN成立于2009年，致力于將知識和技術由基礎研究轉化為工業應用。LZN與漢堡-哈爾堡工業大學 (TUHH) 激光與系統技術研究所 (iLAS) 建立了密切的合作關系。

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TiLight研究項目旨在研究如何將創新型設計方法與新的制造能力相結合，從而利用TiAl6V4這種高強度鈦合金材料以更經濟的方式制造出輕量化部件。該項研究為LZN與iLAS合作開展的項目，并由BMBF（德國聯邦教育與研究部）提供資金支持。該項目除對TiAl6V4 材料進行增材制造外，還對仿生學等新型設計方案進行了分析、歸類并將其納入指導準則和數據庫，從而幫助用戶充分挖掘輕量化的潛力。

該研究項目最開始的主攻方向是航空業。在航空領域，更輕便的部件迅速展現出了優勢，而該行業也因樂于嘗試新型設計方案而著稱。降低質量有助于提高飛行器的載重能力或延長飛行器航程。在空間技術領域，每增加1千克負荷將使火箭和燃料重量額外增加30至100千克，這意味著采用輕量化結構可實現大幅節省。對于汽車等其他行業，由于他們一直嘗試尋找降低質量并提高車輛燃油效率的方法，因此對新型輕量化方案呈現出越來越濃厚的興趣。

在TiLight項目中，選擇在飛行器中用作標準固定零件的支架作為試驗對象。民航飛機中使用多達30000個支架單元來固定駕駛艙內部系統和駕駛艙其他部件。該研究項目取得的成果使創新型輕量化結構取代了傳統支架，大大減輕了飛行器重量。

LZN副研究員Jannis Kranz深入研究了支架部件能夠付諸生產的設計以及后續的輕量化結構的激光增材制造。考慮到TiAl6V4材料的特點，為激光增材方法開發出了定制的流程鏈，使用Altair的優化工具OptiStruct創建出基本的優化結構。將這些自動創建的結構與自然界中的生物示例進行對比并進行相應調整，然后再對最終的幾何結構進行最后的數值驗證。OptiStruct等優化工具非常適合此類項目，尤其是在開發全新的設計方案時更是如此。由于所得的幾何結構通常十分復雜，因此，非常適合采用激光增材制造等限制較少的生產方法進行生產。

航空業供應商Premium Aerotec (PAG)擔當了該項目的行業合作伙伴。再結合LZN現有的加工設備，該項目所需的多數設備可直接可用。此外，研究人員還進入了三家金屬增材制造工廠SLM、Concept及 EOS，自行生產出了所設計的部件。

LZN研究人員以支架樣品為例，證明了適用于輕量化金屬結構的全新設計和工程方案能夠與激光增材制造完美結合。所生產的結構充分利用了設計自由度。由于設計自由，在開發過程中就可以以更加大膽的方式采用優化工具，并且幾乎可以直接呈現結果，因為激光增材方法的制造限制較少。即使是復雜的結構也幾乎不需要額外的制造工作，并且拓撲優化的結果可根據具體的應用場合很好地進行調整，使其與自然示例相符。作為主要研究成果之外的副產品，Kranz 還分析了仿生學等其他設計方案，對其進行了歸類并創建了指導準則和數據庫，旨在幫助未來的用戶充分挖掘輕量化結構的潛力。

從TiLight項目一開始，LZN就使用Altair HyperWorks作為主要工具。HyperWorks是一種用于仿真驅動產品開發的領先設計解決方案，開發過程中，在部件概念設計階段會采用CAE工具。這種解決方案提供了面向建模、分析、優化、可視化、報表及數據管理的集成解決方案。在仿真驅動設計過程中，首先采用HyperWorks套件優化工具OptiStruct基于

可用設計空間、產生的負荷和其他邊界條件執行優化。根據具體的應用場合，可先對其他參數進行研究并更改邊界條件，再對結果進行解釋，然后選出最適合激光增材制造的各種設計方案。此外，如果可行，所創建的設計方案可由生物示例進行補充。隨后借助CAD工具對提出的設計進行改進，并采用OptiStruct對最終設計進行數值驗證。

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拓撲優化工程師能夠構建更輕、載重效率更高的設計，僅在需要的位置應用材料

“為了開發出采用輕量化設計的新型支架，我們在確定結構時首先進行了拓撲優化，”Jannis Kranz解釋道。“在確定了規格并定義了所需的連接點之后，優化后的幾何結構即為基本機構，供后續步驟進行進一步調整。基于這些技術數據，我們找到了能夠起到補充作用的生物示例。在流程的后續步驟中，只要在CAD中得出設計方案，我們就會利用Altair OptiStruct等工具再次對結果進行驗證。關于優化和計算，我們可以在HyperWorks中完成整個虛擬開發鏈。”

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用于設計與優化采用增材制造方法生產的部件而全新開發的流程鏈

每一款新設計都從源自大自然的結構中獲得靈感（生物模擬）

為了探索非傳統的設計流程，在項目開始之初便采用了拓撲優化。雖然優化本身并不是激光增材制造的必要條件，但設計工程師在設計部件時會受到環境和經驗的影響。這就是設計工程師主要面向銑削、鑄造等傳統制造流程進行設計的原因。如果在增材制造等新型流程中不考慮優化，則所得的幾何結構將帶有傳統流程的鮮明特征，其中也包括它們的制造限制。然而，OptiStruct給出了一種全新的形式，在增材制造流程中僅需稍作調整即可直接制造。

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