重工業(yè)的輕型作業(yè): 用于解決零件過(guò)時(shí)的拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印

來(lái)源：TCT亞洲展

"用傳統(tǒng)的機(jī)械加工幾乎不可能做到拓?fù)鋬?yōu)化。然而增材制造是解決零件過(guò)時(shí)理想解決方案。"

傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

帶有連接線(xiàn)性執(zhí)行器和鐘形曲軸的原始扭矩臂

面對(duì)零件過(guò)時(shí)的挑戰(zhàn)，也許這個(gè)零件已經(jīng)停產(chǎn)了，原來(lái)的工具也不存在了，又或者是原來(lái)的供應(yīng)商已經(jīng)不再經(jīng)營(yíng)了。想要再生產(chǎn)這個(gè)零件只有兩個(gè)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(guó)航空航天和國(guó)防承包商Advatech Pacific公司接到這樣一個(gè)需求，只有一份大致描述圖，讓該公司看到了利用拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造對(duì)傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造以適應(yīng)發(fā)電領(lǐng)域的新機(jī)會(huì)與新前景。

"Advatech Pacific的工程經(jīng)理Matt Humrick告訴TCT："對(duì)于其中的一些零件來(lái)說(shuō)，與其投入時(shí)間和金錢(qián)去創(chuàng)造新的鑄造工具，不如通過(guò)增材制造更有意義，也更省錢(qián)。作為這個(gè)項(xiàng)目的成員，我們希望增材制造與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，向客戶(hù)展示這兩種技術(shù)是如何互補(bǔ)的，并為他們提供一些新的解決方案。"

拓?fù)鋬?yōu)化扭力臂的ANSYS機(jī)械靜力結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

為了證明這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的短力矩臂部件，該部件將線(xiàn)性執(zhí)行器連接到鐘形曲軸組件，并調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的進(jìn)氣導(dǎo)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(jìn)行拓?fù)鋬?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(jì)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(cè)接觸面之間的不均勻壓力，沿內(nèi)邊緣的負(fù)載傳遞明顯，而在軸的外邊緣幾乎沒(méi)有負(fù)載傳遞。進(jìn)行分析后，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的有機(jī)形狀被導(dǎo)出到一個(gè)單獨(dú)的CAD程序中進(jìn)行清理和進(jìn)一步迭代，然后準(zhǔn)備在ABS中進(jìn)行測(cè)試打印。

與Advatech合作完成該項(xiàng)目的人是，擁有25年增材制造經(jīng)驗(yàn)的PADT（ANSYS仿真軟件的授權(quán)經(jīng)銷(xiāo)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(jì)看似簡(jiǎn)單的零件。塑料原型設(shè)計(jì)提供了一種廉價(jià)的方法來(lái)演示新的幾何圖形，然后使用不銹鋼材料進(jìn)行最終打印。

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

Pam評(píng)論道："很顯然，用傳統(tǒng)的機(jī)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(jìn)行比較，新的扭矩臂設(shè)計(jì)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(rèn)為拓?fù)鋬?yōu)化更有趣的優(yōu)勢(shì)是其設(shè)計(jì)工具的能力。

Matt說(shuō)："拓?fù)鋬?yōu)化的作用是讓設(shè)計(jì)師擺脫公司的先入為主的觀念和已有的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并提出您可能不會(huì)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(gè)整體性能更好的零件。"

原始設(shè)計(jì)（下）和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)（上）

打印后在ABS中進(jìn)行視覺(jué)比較。最終零件可以用不銹鋼3D打印。

Matt認(rèn)為，在這個(gè)測(cè)試案例中，降低加工成本和改善設(shè)計(jì)是增材制造在解決零件過(guò)時(shí)問(wèn)題時(shí)的兩大亮點(diǎn)。在這種特殊情況下，這也意味著要重新設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足新的廢氣排放要求。

Matt說(shuō)："如果您要與之前沒(méi)有增材制造經(jīng)驗(yàn)的客戶(hù)打交道，有時(shí)只需要把現(xiàn)有的零件不做任何修改打印出來(lái)，讓他們體驗(yàn)感受實(shí)物，使他們對(duì)運(yùn)用增材制造的可能性打開(kāi)大門(mén)。"

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