许多技术创新都基于自然界中生物结构的设计。通过不断进化，大自然在数百万年间已学会根据各种形状的功能对形状进行调整，从而最大程度地提高效率。当工程师设法构建坚固而轻盈的结构时，这些自然界中的示例可以提供重要线索。在目前的研究项目中，Laser Zentrum Nord (LZN)和汉堡-哈尔堡工业大学(TUHH)正着手研究如何将创新型设计方法与激光增材制造相结合，并利用生物示例，挖掘轻量化结构的新潜力。
骨骼等自然结构展示出了极高的材料效率。然而，生产类似结构对于制造企业而言则是一大挑战。在寻找新方法来实现轻量化策略的研究过程中，新的制造方法开始发挥作用。激光增材制造（即选择性激光熔融）特别适合生产极其复杂的几何结构，它采用激光一层层地扫描堆积的金属粉末，使金属粉末选择性地熔化。这种方法不但适用于生产单个样机，而且还适用于生产在航空和汽车行业中用作支撑结构的高承重金属部件。此类部件在各自应用领域已证明了自身的价值。
LZN成立于2009年，致力于将知识和技术由基础研究转化为工业应用。LZN与汉堡-哈尔堡工业大学 (TUHH) 激光与系统技术研究所 (iLAS) 建立了密切的合作关系。
TiLight研究项目旨在研究如何将创新型设计方法与新的制造能力相结合，从而利用TiAl6V4这种高强度钛合金材料以更经济的方式制造出轻量化部件。该项研究为LZN与iLAS合作开展的项目，并由BMBF（德国联邦教育与研究部）提供资金支持。该项目除对TiAl6V4 材料进行增材制造外，还对仿生学等新型设计方案进行了分析、归类并将其纳入指导准则和数据库，从而帮助用户充分挖掘轻量化的潜力。
该研究项目最开始的主攻方向是航空业。在航空领域，更轻便的部件迅速展现出了优势，而该行业也因乐于尝试新型设计方案而著称。降低质量有助于提高飞行器的载重能力或延长飞行器航程。在空间技术领域，每增加1千克负荷将使火箭和燃料重量额外增加30至100千克，这意味着采用轻量化结构可实现大幅节省。对于汽车等其他行业，由于他们一直尝试寻找降低质量并提高车辆燃油效率的方法，因此对新型轻量化方案呈现出越来越浓厚的兴趣。
在TiLight项目中，选择在飞行器中用作标准固定零件的支架作为试验对象。民航飞机中使用多达30000个支架单元来固定驾驶舱内部系统和驾驶舱其他部件。该研究项目取得的成果使创新型轻量化结构取代了传统支架，大大减轻了飞行器重量。
LZN副研究员Jannis Kranz深入研究了支架部件能够付诸生产的设计以及后续的轻量化结构的激光增材制造。考虑到TiAl6V4材料的特点，为激光增材方法开发出了定制的流程链，使用Altair的优化工具OptiStruct创建出基本的优化结构。将这些自动创建的结构与自然界中的生物示例进行对比并进行相应调整，然后再对最终的几何结构进行最后的数值验证。OptiStruct等优化工具非常适合此类项目，尤其是在开发全新的设计方案时更是如此。由于所得的几何结构通常十分复杂，因此，非常适合采用激光增材制造等限制较少的生产方法进行生产。
航空业供应商Premium Aerotec (PAG)担当了该项目的行业合作伙伴。再结合LZN现有的加工设备，该项目所需的多数设备可直接可用。此外，研究人员还进入了三家金属增材制造工厂SLM、Concept及 EOS，自行生产出了所设计的部件。
LZN研究人员以支架样品为例，证明了适用于轻量化金属结构的全新设计和工程方案能够与激光增材制造完美结合。所生产的结构充分利用了设计自由度。由于设计自由，在开发过程中就可以以更加大胆的方式采用优化工具，并且几乎可以直接呈现结果，因为激光增材方法的制造限制较少。即使是复杂的结构也几乎不需要额外的制造工作，并且拓扑优化的结果可根据具体的应用场合很好地进行调整，使其与自然示例相符。作为主要研究成果之外的副产品，Kranz 还分析了仿生学等其他设计方案，对其进行了归类并创建了指导准则和数据库，旨在帮助未来的用户充分挖掘轻量化结构的潜力。
从TiLight项目一开始，LZN就使用Altair HyperWorks作为主要工具。HyperWorks是一种用于仿真驱动产品开发的领先设计解决方案，开发过程中，在部件概念设计阶段会采用CAE工具。这种解决方案提供了面向建模、分析、优化、可视化、报表及数据管理的集成解决方案。在仿真驱动设计过程中，首先采用HyperWorks套件优化工具OptiStruct基于
可用设计空间、产生的负荷和其他边界条件执行优化。根据具体的应用场合，可先对其他参数进行研究并更改边界条件，再对结果进行解释，然后选出最适合激光增材制造的各种设计方案。此外，如果可行，所创建的设计方案可由生物示例进行补充。随后借助CAD工具对提出的设计进行改进，并采用OptiStruct对最终设计进行数值验证。
拓扑优化工程师能够构建更轻、载重效率更高的设计，仅在需要的位置应用材料
“为了开发出采用轻量化设计的新型支架，我们在确定结构时首先进行了拓扑优化，”Jannis Kranz解释道。“在确定了规格并定义了所需的连接点之后，优化后的几何结构即为基本机构，供后续步骤进行进一步调整。基于这些技术数据，我们找到了能够起到补充作用的生物示例。在流程的后续步骤中，只要在CAD中得出设计方案，我们就会利用Altair OptiStruct等工具再次对结果进行验证。关于优化和计算，我们可以在HyperWorks中完成整个虚拟开发链。”
用于设计与优化采用增材制造方法生产的部件而全新开发的流程链
每一款新设计都从源自大自然的结构中获得灵感（生物模拟）
为了探索非传统的设计流程，在项目开始之初便采用了拓扑优化。虽然优化本身并不是激光增材制造的必要条件，但设计工程师在设计部件时会受到环境和经验的影响。这就是设计工程师主要面向铣削、铸造等传统制造流程进行设计的原因。如果在增材制造等新型流程中不考虑优化，则所得的几何结构将带有传统流程的鲜明特征，其中也包括它们的制造限制。然而，OptiStruct给出了一种全新的形式，在增材制造流程中仅需稍作调整即可直接制造。
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