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面對增材制造的設計:柴油發(fā)動機支架如何做到成本節(jié)約和性能優(yōu)化?

3D打印動態(tài)
2016
12/28
14:35
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本帖最后由 小軟熊 于 2016-12-28 14:35 編輯

激光增材制造專家Stéphanie Giet將為我們介紹柴油發(fā)動機支架的設計案例。面向增材制造的重新設計,在減輕重量、優(yōu)化性能和降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮了重要作用。據(jù)南極熊了解,近日,一群來自康明斯巴西公司、巴西圣保羅大學理工學院、加拿大奧什瓦安大略大學理工學院的工程師對增材制造的設計自由度進行了探索,用以提升柴油發(fā)動機的結(jié)構(gòu)性能。針對這些擁有多個特定性能的部件,在概念論證中涉及到了一種新的設計方法,結(jié)果表明,該團隊成功地做到了重量最小化,并且優(yōu)化了性能、降低了制造成本。


柴油發(fā)動機支撐架的優(yōu)化模型。全新的結(jié)構(gòu)形態(tài),在減輕重量、減少材料使用的基礎上,能夠針對分析得出的負載量給出相應的支撐。

增材制造和拓撲優(yōu)化:天然的結(jié)合

增材制造幾乎可以成形任意形狀的部件,面向增材制造的設計過程中,讓設計師可以專注于部件內(nèi)部功能的組合,例如優(yōu)化重量與性能比。增材制造可能是與拓撲優(yōu)化最天然匹配的一種制造方法,它可以選擇性地將根據(jù)零件功能來進行材料分布。在傳統(tǒng)制造中,幾何形狀越復雜,成本就越高,但在增材制造中,形狀的復雜性幾乎不用考慮,優(yōu)化可以減少材料使用、減少重量和成本。


對可設計部分進行的重新設計流程方案。增材制造在復雜形狀制造上的天然優(yōu)勢,很容易將拓補優(yōu)化方案納入流程中。當然也不是所有的機械系統(tǒng)的部件都適于增材制造,因此,通過設計分析來確定增材制造可以帶來最大的效益是很有必要的。

如何做一個面向增材制造的成功設計?

“成功”意味著,這種設計/重新設計應該帶來科技和經(jīng)濟效益,比如:(A)降低制造成本——也許是通過簡化裝配或者減少一些大的投入,像部分特定的工具;(B)增加生產(chǎn)運作效益,通過降低成產(chǎn)成本、提高性能或者提供一些獨特的性能。在汽車工業(yè)中,對低成本、可靠、耐用、輕質(zhì)零部件的需求正推動著工程師和研發(fā)人員重新評估部件設計,柴油發(fā)動機支架——一個傳統(tǒng)機械加工出的金屬結(jié)構(gòu),是用來驗證重新設計的不錯的選擇。

如何進行設計分析?如何選擇合適的增材制造技術(shù)?

在重新設計之前越早確定要選擇的增材制造技術(shù)越好,因為這涉及到最初的設計規(guī)則。在金屬增材制造中,選擇性激光融化(SLM)屬于粉床熔化的分類,被稱為直接金屬激光融化,該技術(shù)以其基本機制命名。該過程依賴于用一個細微的激光束在粉末床上連續(xù)的層中進行掃描,選擇性地熔化復雜軌道,最終的部件來源于融化粉末的凝固。高精度的優(yōu)勢是SLM往往被用于精細、復雜部件成形的原因,所以柴油機支架的制造也選擇了這種技術(shù)。

相對于傳統(tǒng)的減材制造,SLM的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面:

形狀的復雜性:SLM可以制造任意的實體形狀,可以實現(xiàn)經(jīng)濟的小批量制造,輕松定制和優(yōu)化幾何形狀;高精度:材料是用一個精細的激光束,逐點、逐層處理;層次的復雜性:擁有足夠精度的機器,意味著可以一次性完成復雜、多層次的多尺度結(jié)構(gòu)設計和制造,精度從0.1至10mm不等;功能的復雜性,幾何形狀的靈活性:可以將多種功能集成到一個部件上來,以往則需要制造多個部件。

柴油發(fā)動機支架及其運作環(huán)境

在內(nèi)燃機中,發(fā)動機支架是負責保持動力系統(tǒng)的部件,除了發(fā)動機以外,它還包括傳動系統(tǒng)和配件,將動力傳送系統(tǒng)與車輛底盤相連接。而發(fā)動機支架緊密相關的是冷卻驅(qū)動系統(tǒng),它由三個滑輪組成:驅(qū)動器滑輪與曲柄軸鼻部連接,中間滑輪對系統(tǒng)傳送帶施加壓力,動滑輪則用于驅(qū)動風扇。然后,柴油發(fā)動機支架與中間滑輪之間錨定。


冷卻系統(tǒng)部件


包含三個滑輪的冷卻系統(tǒng),增材制造重新設計的過程要考慮到該系統(tǒng)與發(fā)動機支撐架錨定時產(chǎn)生的負載。整個部件圍繞零件的兩個獨立功能進行拓撲優(yōu)化的,既連接了動力傳動系統(tǒng)和底盤,又支撐著中間的壓力滑輪。

融合式設計:兼顧SLM技術(shù)和拓補優(yōu)化

盡管有成功的SLM重新設計案例作為借鑒,相應的專有規(guī)則仍然缺乏,需要進一步探討。 大多數(shù)這樣的規(guī)則目前主要由用戶內(nèi)部開發(fā),并且被他們視為重要的商業(yè)化優(yōu)勢。 同樣關鍵的還有增材制造設計的工作流程,要保證可以進行高效的重新設計,并且實現(xiàn)拓撲優(yōu)化與設計制造的無縫對接。

這一工作流程必須從以下幾個方面著手:
準確了解組件的標準和開發(fā)要求
了解/考慮SLM技術(shù)的優(yōu)勢和限制所在
在設計階段就要考慮后處理技術(shù)

確定制造時間和成本范疇
對發(fā)動機支撐架的要求主要是在承重方面。為了確定優(yōu)化過程中要設置的負載值,要把車輛模型放在特殊軌道中進行測試。通過動力系統(tǒng)中的加速度監(jiān)測儀,可以隨時記錄車輛運行的加速度狀況。


全新的柴油發(fā)動機支撐架模型(藍色部分),以及與之連接的中間壓力齒輪。與壓力齒輪精準對接是它的一個關鍵功能。也可以通過其他方式獲得相關負載值。 與冷卻系統(tǒng)相關的輪轂,可以通過商業(yè)化軟件得出其負載大小和方向的相關數(shù)值,其中會考慮到傳送帶的材料,功率消耗與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的對比曲線,以及汽車的占空比等。夾緊載荷這使用超聲波裝置測量。

基于數(shù)據(jù)形成氣缸腔、螺栓和中間壓力滑輪的有限元模型,然后就可以開始結(jié)構(gòu)數(shù)學優(yōu)化的迭代計算過程。有限元網(wǎng)格設計可以在得出數(shù)據(jù)的基礎上,幫助發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)實現(xiàn)拓補優(yōu)化

突破設計局限,利用增材制造實現(xiàn)部件性能優(yōu)化
在這種分析的過程中,最關鍵的是認識到增材制造在設計靈活性上的限度。這種靈活性允許設計師專注于利用拓撲優(yōu)化技術(shù)來提升部件功能。在已知施加載荷、邊界條件和設計體積,求解器可以得出某個結(jié)構(gòu)部件的最佳材料使用量和材料分布。

然而,設計師和工程師們往往為了確保一個可用于制造的方案,在拓撲優(yōu)化問題上過度束手束腳。這種做法容易造成浪費,并且可能無法充分發(fā)揮增材制造的自由設計優(yōu)勢。了解其增材制造的優(yōu)勢所在,并不斷去突破設計上的限制,才能真正利用增材制造最大化地挖掘部件制造的競爭力。

關于作者
Stéphanie Giet,激光增材制造專家。對整個增材制造流程鏈(如設計、流程開發(fā)和生產(chǎn)準備)有深刻的理解和豐富的應用開發(fā)經(jīng)驗。她目前在為一家位于英國的激光粉末床熔融技術(shù)制造商工作。
來源:3d打印世界
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