更低成本、更優(yōu)性能，面向增材的先進設計為工業(yè)品提能增效

來源：安世亞太

3D打印不僅是一種新工藝手段，更是新一輪產業(yè)革命中改變人類生產和生活方式的重要引擎和顛覆性技術體系，其背后的增材思維正在帶來一場釋放設計自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的革命。安世亞太作為我國先進設計與增材制造服務企業(yè)，提出以增材思維為核心的先進設計與制造一體化解決方案，通過先進設計技術實現產品結構創(chuàng)新能力的飛速提升，并建立了面向增材的從設計到制造再到服務的完整產業(yè)鏈。

以增材思維為核心的先進設計，是一種正向設計體系的思維和能力。采用仿真模擬或正向設計技術，借助設計創(chuàng)新、參數優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等手段開展創(chuàng)新設計，并借助虛擬試驗技術進行驗證。在設計的過程中，工程師可以打破工藝的束縛，專注于需求，設計任何結構的產品，而不需要考慮制造工藝的局限，從而實現對各類工業(yè)產品整機或其關鍵零部件進行程度不一的再設計，實現工業(yè)品節(jié)材減重、性能提升。

接下來，通過以增材思維為核心的先進設計案例分享，為大家展現面向增材制造的產品正向設計和再設計的魅力。


助力燃氣渦輪發(fā)動機創(chuàng)新

航空發(fā)動機與燃氣渦輪產業(yè)是能源動力裝備領域的最高端產品，代表了裝備制造業(yè)的最高技術水平。由于微型燃氣渦輪發(fā)動機的零部件結構復雜且微型化，因此至今仍需依賴國外的產品和技術。

安世亞太聯合深圳意動航空科技有限公司成功開發(fā)了兩款全3D打印微型渦噴發(fā)動機，10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗，各項指標滿足設計要求，試驗中最高轉速高于14萬rpm，為世界首次全3D打印旋轉渦輪高溫點火實驗。

微型渦噴發(fā)動機在多處關鍵零部件結構設計方面融入了增材先進設計的概念，減少了發(fā)動機零件數量，降低了發(fā)動機的整體重量，增加了部分結構件的強度，實現更低成本、更優(yōu)性能、更長壽命的目標，是滿足先進低成本微小型空中武器系統(tǒng)推進動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進動力裝置。

微型渦噴發(fā)動機關鍵零部件結構設計融入了增材先進設計概念

用輕量化設計，實現工業(yè)品節(jié)材減重
降低產品重量對提升操控性，降低成本和能耗等大有裨益。以增材思維為核心的工業(yè)再設計的直接效益是帶來工業(yè)品的節(jié)材減重。目前，再設計體系已經在數十家企業(yè)和工業(yè)產品中應用，通過基于“集成化、輕量化、智能化”設計理念開展產品設計、基于工程仿真進行模擬計算分析、增材制造技術進行產品生態(tài)工藝設計和成型制造等工作，實現生態(tài)設計和綠色制造。

在機器人機械臂的增材設計中，安世亞太在ANSYS平臺下完成了對機器人兩個機械臂部件進行拓撲優(yōu)化，流程包括拓撲優(yōu)化、結構光順、模型驗證，并通過3D打印工藝生產制造。優(yōu)化結果在最大應力和最大變形相當的情況下，重量減少了40%。

機器人機械臂的再設計，重量減少了40%

而設計結構的靜強度指標與原始結構保持基本一致，動、靜剛度均有較大程度提高，從而有助于提高定位精度、對編程軌跡的跟蹤精度、以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等關鍵性能指標；大幅度減低機器人驅動功率，節(jié)省用戶使用成本，提高了整個機械臂結構在長期運行條件下的可靠性。

汽車前橋的再設計則是通過設計實現工業(yè)品減重的最為典型的案例。在前橋殼原結構基礎上，將內部加筋處理，采用增材制造技術整體成型，實現了將原來由數十個鋼制零件連接而成的前橋殼整體鑄造成一個鋁制零件，在不降低性能指標的前提下，重量得到大幅降低。

原來數十個鋼制零件連接而成的前橋殼整體鑄造成一個鋁制件

載荷分散結構優(yōu)化，性能驅動的生成式設計
載荷分散結構優(yōu)化設計，將擴散連接結構的設計集中載荷作用在結構中心，并通過擴散連接結構傳遞到主結構完成集中載荷的擴散。通過優(yōu)化擴散連接結構，更高效地將集中載荷擴散到主結構。

拓撲優(yōu)化基于已知的設計空間、工況條件以及設計約束，并考慮工藝約束，通過計算材料內最佳的傳力路徑，通過優(yōu)化單元密度確定可以挖除的材料。實現了性能驅動的生成式設計，成為真正的正向設計模式。

通過對最佳結構設計進行仿真驗證，并與初始結構的極限承載力進行比對，得出：極限承載力提高了55%。

通過對最佳結構設計進行仿真驗證，極限承載力提高了55%

對于中國制造業(yè)來說，通過面向增材制造的產品正向設計和再設計，可以不斷提高工業(yè)品的品質和功能，充分應用技術進步和工藝改進等，降低產品成本，從而幫助企業(yè)成功抵御來自于技術創(chuàng)新、環(huán)保、質量等多方面的生存威脅，幫助企業(yè)獲得可持續(xù)發(fā)展的恒久動力。