Local Motors 3D打印技术打造超轻汽车架构

近日，美国Local Motors公司与能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）合作，举办了汽车轻量化材料技术（LITECAR）挑战赛，并向广大社会征集设计方案，设计内容包括新型材料技术、结构设计、吸能材料以及减少整车重量并符合美国安全标准的独特方法。

在提交的254份概念设计中，空气动力水滴超强轻量化骨架结构（WaterBone）设计脱颖而出，获得特等奖。该方案由印第安纳大学与普渡大学印第安纳波里斯联合分校的助理教授Andres Tovar及其学生设计完成。

WaterBone结构布局新颖，使用了多种材料及3D打印工艺，外形似嵌有小梁网（多孔）的骨架状水滴，能够带来低阻力系数，而空间构架也能提供更好的力学强度和吸能性（防撞性），从而在汽车发生碰撞时有效地保护乘员安全。

WaterBone使用了高分子复合材料，使得单体式设计获得不错的特性，空间构架则使用泡沫铝合金，其布局采用独特的拓扑优化算法（HCA）提高防撞性，而单体式空间构架的整体设计是通过使用3D打印技术构建的。

在汽车尺度比例上，其空间构架类似一根“长骨”，本质上，专门的“脊肋”会遵循米歇尔型框架结构的原理，对空气动力水滴进行保护。尽管各空间构架管状部件内布满骨状蜂窝结构，不过利用3D打印技术依然可以解决如此复杂、轻量化及多尺度结构布局的制造问题。

WaterBone使用高分子复合材料为单体式设计带来了较为理想的安全性，其金属空间构架类似赛车使用的空间构架，进一步保护乘员安全。然而，新的设计使其重量减轻了50%，利用各种塑料和金属也是其更加坚硬、更耐撞。

制造工艺方面，与当前的制造工艺相比，WaterBone除了采用轻量化设计和3D打印技术以外，也更加清洁和环保。尽管制造工艺复杂，但其整体材料浪费率极低，交货周期较短，成本较低。

HCA算法是由Andres Tovar及其合伙人以及本田美国研发中心联合开发提出的，目前LSTC软件技术公司已进入商用环节，用于其有限元分析（FEA）软件LS-DYNA。HCA算法相对于普通算法，拥有更快的收敛速度，并能解决各种拓扑结构问题。

当应用于防撞车辆部件（如保险杠）时，HCA算法可以找出最合理对的材料分布，从而让内能最大化，不过目前在车辆前部和尾部使用该种设计还不太现实。

防撞性指标需要考虑：比吸能力（SEA）、平均破碎力（MCF）、峰值破碎力（PCF）、碰撞负载效率（CLE）以及逐渐折弯成型（progressive folding）。