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实现汽车轻量化对于提高内燃机汽车的燃油经济性和延长电动汽车（EV）的续航里程至关重要。将汽车重量减轻 10%，可将燃油经济性提高 6-8%，并减少二氧化碳排放 ^[1]. .燃料用量的减少也意味着排放量的减少，这对环境的可持续发展大有裨益。.

除了提高燃油经济性和续航里程外，汽车轻量化还能显着提高汽车性能，包括制动、操控和加速性能。此外，轻量化制造还能降低悬挂、制动和轮胎的负荷，从而减少磨损。从长远来看，这些部件的使用寿命更长，所需的维护更少。.

那么，制造商如何才能使汽车零部件更轻呢？是简单地将传统材料换成轻质替代品就能实现这一目标，还是需要重新思考如何设计汽车零件？

揭穿轻量化制造的 “新手神话”

在汽车零部件轻量化方面存在很多误解。一种观点认为，轻量化可以通过材料的选择来实现。换句话说，只要改用更轻的材料，汽车就能实现轻量化。.

基于这种误解，他们将制造过程视为 汽车注塑, 工具和 数控加工 第二种观点认为，使用更轻的材料会影响安全。第二种观点认为，使用更轻的材料会影响安全性。这两种对于汽车轻量化制造的观点都不正确。.

事实上，现代复合材料已被证明具有更好的防撞性能 ^[2]. .与传统汽车中使用的金属相比，它们能更有效地吸收冲击能量。.

使用注塑成型技术进行汽车轻量化制造

毫无疑问，材料的选择对轻量化起着重要作用。然而，通过以下优化设计和创新制造方法，几乎完全可以在不增加重量的情况下实现最佳强度和外形：

1.型材空心化以减少材料用量

大体积部件的内部可以是空心的。这种空洞通常通过以下方式实现 气辅注塑成型 或发泡。例如，在物理发泡中，氮气或二氧化碳被注入熔融塑料中。气体会导致熔融塑料在模具中膨胀。熔融塑料会吸附气泡，形成多孔的内部结构，类似泡沫。.

化学发泡也经常使用，包括在树脂中加入偶氮二甲酰胺（ADC）和碳酸氢钠或柠檬酸等化学发泡剂（CBA）。加热时，CBA 会分解并释放气体，产生与物理发泡相同的效果。发泡会产生坚固的外皮和泡沫状的内核。这样可以减少材料用量，有助于保持产物的轻质，同时又不影响尺寸稳定性。.

2.使用肋条补充薄壁结构

汽车轻量化制造的另一个重要做法是采用先进的制造技术（如薄壁注塑成型和真空成型）来制造壁更薄（厚度小于 1 毫米）的零件，同时保持零件结构的完整性。.

这种注塑成型技术采用高压、高速（&驳迟;1000尘尘/蝉）和先进的机械设备，以确保正确填充薄腔。薄壁通常使用 肋条和袼褙 在需要刚度和强度的地方提供这些性能。肋条还可以防止以下缺陷 沉痕.

3.合并多个部分

当汽车零件由多个部件组成时，每个不同的部件都必须焊接或紧固在一起。焊接或紧固最终会增加成品部件的重量。在轻量化制造中，对过于复杂的零件进行重新设计，使其更容易通过单一的注塑工艺进行生产。.

将多个零件合并成一个模制单元，就无需使用铆钉和螺栓等辅助紧固件，从而减轻了零件的重量。然而，用于制造 卡入式设计 在装配过程中不需要额外紧固件的部件可能需要增加 升降机 或 滑动条, 这可能会增加其成本。零部件整合给汽车轻量化带来的其他好处包括

• 与连接在一起的多个部件相比，用单个连续部件创建的结构通常具有更高的结构完整性，因为后者可能会在连接处产生薄弱点。.
• 通过整合，制造商可以用更少的劳动力和更低的成本生产出更多的零部件。.

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使用数控加工技术进行汽车轻量化制造

计算机数控加工（或称 CNC 加工）是常见的减法制造方法之一。在这种制造工艺中，预先编程的软件控制机床将一块材料（木头、塑料或金属）精确切割成所需的零件或产物。.

加工工具的高精度使这项技术适用于复杂设计的制作。此外，高度自动化消除了人为错误和干预，可帮助制造商节省人力成本。使用该技术制造的常见汽车轻质部件包括

• 电动汽车电机部件和冷却系统
• 底盘和悬挂系统，包括控制臂和支架
• 发动机部件，包括发动机缸体、活塞、气缸盖和曲轴

数控加工对轻量化制造至关重要的原因之一是其材料的多样性。它可用于用不同的材料制造零件，包括铝、碳纤维、钛合金、镁和其他特种塑料。这些材料通常因其强度重量比而被选用。.

在制造优化的轻质部件时，保持高尺寸精度至关重要。尺寸不准确会影响产物或部件的性能、功能或结构完整性。现代多轴数控加工（如五轴机床）可以制造复杂的多维零件。使用数控加工可以实现的先进轻量化制造设计修改包括

• 复杂的空心或内部通道： 在设计发动机部件和冷却板等汽车部件的中空部分时，数控加工可用于精确去除内部部件的材料，而这实际上是人工无法实现的。在制造汽车轻量化零件时，这种技术可用于将不需要强度的部分挖空，从而减轻零件的重量。.
• 制造公差要求严格的零件 数控加工可实现极高的精度（±0.01 毫米左右）、准确性和一致性。精度的提高可确保每个零件都能完美配合，从而通过使用尽可能小的材料厚度来提高安全性。.

与其他传统方法相比，数控加工的高精度优化了生产，减少了材料浪费。这对于使用高性能、昂贵材料的汽车轻量化制造尤其有用。.

使用混合制造技术实现汽车轻量化

混合制造是一个术语，用于描述不同制造技术的组合，以制造轻质零件。例如，数控加工（一种减法制造工艺）与 叁维打印 (增材制造工艺）来制造复杂、轻质、公差小的零件，而这两种方法都难以实现。.

使用 3D 打印和 CNC 加工的混合制造技术

混合制造利用了各种技术在材料效率、设计和加工方面的互补优势。一种常见的混合轻量化制造技术结合了叁维打印和数控加工的优势。.

3D 打印可用于制造高度复杂的内部几何形状，如空心通道或晶格。混合制造释放出的设计自由度是其他方法无法比拟的。这种快速成型制造工艺的最大优势在于能在不影响结构完整性的情况下制造出这类复杂的内部几何形状。但是，它在公差和精加工方面表现不佳。.

因此，在使用轻质材料叁维打印出空心部件后，在后处理中使用了数控加工技术，以达到以下目的 所需的公差和极高的精度 (±0.002 mm)，外部表面光滑（Ra0.4μm）。采用叁维打印和数控加工混合轻质制造工艺的其他优点包括

• 进一步减少材料浪费： 首先使用叁维打印技术制作出空心形状，数控加工只需去除极少量的材料，从而减少了浪费，降低了成本。.
• 更快的生产周期 由于叁维打印和数控加工都可以实现自动化，因此将两者结合起来，就可以省去人工移动零件的麻烦，而人工移动零件可能会减慢制造流程。.
• 简化生产流程： 集成软件可管理这两个流程，有助于消除低效和错误。.

利用叁维打印和注塑成型实现混合轻质制造

3D 打印通常与注塑成型相结合，特别是在 Voxelfill 工艺中 ^[3]. .该工艺由 AIM3D 公司开发并申请了专利。Voxelfill 工艺采用两步制造流程，克服了逐层 3D 打印部件 Z 轴相关的弱点，具体如下：

• 第一步是利用 3D 打印技术创建晶格结构： 这种类似蜂窝的结构是利用复合挤压建模系统 3D 打印出来的。.
• 第二步是晶格填充或体素填充： 挤压机用于将热塑性材料注入晶格的内部空腔。填充材料可以是泡沫，目的是在不增加重量的情况下提高硬度和强度。.

轻量化制造的未来围绕着多材料设计（惭惭顿）展开。多材料设计不是一味地替换材料，而是根据具体要求，有策略地将最佳材料放在合适的位置。例如，高强度钢可用于对耐撞性要求较高的部位，而铝则用于优先考虑减重的外板。.

参考资料

[1] 美国能源部。(n.d.). 汽车和卡车的轻质材料. .能源效率与可再生能源办公室。.

[2] 田纳西大学诺克斯维尔分校。(2023 年 2 月 27 日）。. 博士生以前所未有的深度测试复合材料的耐撞性。. 土木与环境工程系。.

[3] Engineering.com.(2022年10月24日）。. 什么是 Voxelfill 流程？ Engineering.com.