微型燃气轮机具备体积小、能量密度高等特点,应用广泛。对其关键零部件进行轻量化设计,以提高微型燃气轮机推重比/功重比,具有重要的现实意义和工程应用价值。但传统的零部件的优化设计仍受限于制造工艺的约束,无法实现自由设计。3D打印技术能突破传统制造方式的限制,实现个性化制造,为零部件的优化设计拓展了新的空间。因此,将设计与制造有机结合,充分发挥设计方法与3D打印技术各自的优势,为具体零部件实现特定功能,是一个具有实用意义的重要课题。在对微型燃气轮机及其零部件的研究与发展、设计制造一体化研究现状进行充分研究与分析后,以微燃机典型零部件离心叶轮和轴为研究对象展开轻量化设计与分析尝试,以期为其他相关零件的3D打印设计制造一体化工程应用提供借鉴和参考。首先,针对微燃机核心零件离心叶轮的轻量化设计问题,结合基于3D打印的零部件设计指导原则与等强度设计原则,在对离心叶轮进行静强度分析的基础上,通过构造骨架和运用拓扑优化方法实现轻量化设计,再基于3D打印技术进行可实现的工艺设计。最终结果表明:该设计方案能在不影响结构强度的同时实现减重8.7%。其次,针对动力机械广泛应用的传动轴减重设计问题,在空心轴的基础上,结合基于3D打印的零部件设计指导原则与等强度设计原则,保持空心轴内外径之比恒为0.7以及相同的实体横截面积,提出多孔空心轴的设计。通过公式推导与截面系数实例计算,结果表明:与空心轴相比,多孔空心轴截面系数更大,强度更佳。在理论分析的基础上进行仿真计算,扭转与弯曲算例结果均表明:与空心轴相比,多孔空心轴中间/危险截面平均等效应力更小,强度更佳。通过进一步分析,对轻量化高比强度多孔空心轴的孔位给出了基本设计方法和工程建议。最后通过试制与实验的方式对多孔空心轴的承载能力进行验证与分析。通过选择性激光熔化技术对多孔空心轴进行试制,完成了轴的设计、分析与制造的全过程,获得了一套基于3D打印技术的轴类零部件的设计方法。再以扭转与弯曲两个实验进行验证,结果表明:与空心轴相比,在同样重量情况下,多孔空心轴的扭转强度能提高22.5%,弯曲强度能提高9.8%。