重工業(yè)的輕型作業(yè): 用于解決零件過時的拓撲優(yōu)化和3D打印

來源：TCT亞洲展

"用傳統(tǒng)的機械加工幾乎不可能做到拓撲優(yōu)化,。然而增材制造是解決零件過時理想解決方案。"

傳統(tǒng)的燃氣輪機發(fā)動機設(shè)計

帶有連接線性執(zhí)行器和鐘形曲軸的原始扭矩臂

面對零件過時的挑戰(zhàn),，也許這個零件已經(jīng)停產(chǎn)了,，原來的工具也不存在了，又或者是原來的供應(yīng)商已經(jīng)不再經(jīng)營了,。想要再生產(chǎn)這個零件只有兩個選擇：尋找新的供應(yīng)商,，或者尋找新的生產(chǎn)方式。

最近,，美國航空航天和國防承包商Advatech Pacific公司接到這樣一個需求,，只有一份大致描述圖，讓該公司看到了利用拓撲優(yōu)化和增材制造對傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機進行改造以適應(yīng)發(fā)電領(lǐng)域的新機會與新前景,。

"Advatech Pacific的工程經(jīng)理Matt Humrick告訴TCT："對于其中的一些零件來說，與其投入時間和金錢去創(chuàng)造新的鑄造工具,，不如通過增材制造更有意義,，也更省錢。作為這個項目的成員,，我們希望增材制造與拓撲優(yōu)化相結(jié)合,，向客戶展示這兩種技術(shù)是如何互補的，并為他們提供一些新的解決方案,。"

拓撲優(yōu)化扭力臂的ANSYS機械靜力結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

為了證明這一點,，團隊選擇了一個簡單的短力矩臂部件，該部件將線性執(zhí)行器連接到鐘形曲軸組件,，并調(diào)整燃氣輪機發(fā)動機內(nèi)的進氣導葉,。第一步是使用ANSYS的仿真原始幾何和結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)創(chuàng)建CAD模型。Matt解釋道：將包含額外材料的扭矩臂模型放入ANSYS Mechanical中進行拓撲優(yōu)化，并 "迭代并查看軟件分析出的最佳解決方案",。

重新設(shè)計既要減輕重量,，又要與原力矩臂的彎曲剛度相匹配。Advatech工程師需要能夠指定的扭矩臂和軸之間的幾何和表面的約束,，預(yù)測接觸面之間的不均勻壓力,，沿內(nèi)邊緣的負載傳遞明顯，而在軸的外邊緣幾乎沒有負載傳遞,。進行分析后,，經(jīng)過優(yōu)化的有機形狀被導出到一個單獨的CAD程序中進行清理和進一步迭代，然后準備在ABS中進行測試打印,。

與Advatech合作完成該項目的人是,，擁有25年增材制造經(jīng)驗的PADT（ANSYS仿真軟件的授權(quán)經(jīng)銷商）的3D打印應(yīng)用工程師Pam Waterman。PADT的目的是用更少的材料重新設(shè)計看似簡單的零件,。塑料原型設(shè)計提供了一種廉價的方法來演示新的幾何圖形,，然后使用不銹鋼材料進行最終打印。

基于優(yōu)化的ANSYS應(yīng)力結(jié)果的CAD實體模型的最終版本

Pam評論道："很顯然,，用傳統(tǒng)的機械加工幾乎不可能生產(chǎn)出這樣的產(chǎn)品,。所以增材制造是制造最終零件的理想解決方案"

將原始零件的幾何形狀與新的、具有預(yù)期不銹鋼材料特性的優(yōu)化版本進行比較,，新的扭矩臂設(shè)計減重了45%,，并與原始零件的剛度相匹配。然而,，除了減重之外,，Matt認為拓撲優(yōu)化更有趣的優(yōu)勢是其設(shè)計工具的能力。

Matt說："拓撲優(yōu)化的作用是讓設(shè)計師擺脫公司的先入為主的觀念和已有的設(shè)計準則,，并提出您可能不會想到的新穎解決方案,，這可以減輕重量或節(jié)省成本，或者只生產(chǎn)一個整體性能更好的零件,。"

原始設(shè)計（下）和拓撲優(yōu)化設(shè)計（上）

打印后在ABS中進行視覺比較,。最終零件可以用不銹鋼3D打印。

Matt認為,，在這個測試案例中,，降低加工成本和改善設(shè)計是增材制造在解決零件過時問題時的兩大亮點。在這種特殊情況下,，這也意味著要重新設(shè)計以滿足新的廢氣排放要求,。

Matt說："如果您要與之前沒有增材制造經(jīng)驗的客戶打交道，有時只需要把現(xiàn)有的零件不做任何修改打印出來,，讓他們體驗感受實物,，使他們對運用增材制造的可能性打開大門,。"

Pam補充道："盡管重復(fù)做已經(jīng)掌握的事情是有價值的，但更重要的是下一步該怎么走,。"