更低成本、更優(yōu)性能，面向增材的先進設(shè)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(chǎn)業(yè)革命中改變?nèi)祟惿�產(chǎn)和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系，其背后的增材思維正在帶來一場釋放設(shè)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(shè)計與增材制造服務(wù)企業(yè)，提出以增材思維為核心的先進設(shè)計與制造一體化解決方案，通過先進設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力的飛速提升，并建立了面向增材的從設(shè)計到制造再到服務(wù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

以增材思維為核心的先進設(shè)計，是一種正向設(shè)計體系的思維和能力。采用仿真模擬或正向設(shè)計技術(shù)，借助設(shè)計創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等手段開展創(chuàng)新設(shè)計，并借助虛擬試驗技術(shù)進行驗證。在設(shè)計的過程中，工程師可以打破工藝的束縛，專注于需求，設(shè)計任何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，而不需要考慮制造工藝的局限，從而實現(xiàn)對各類工業(yè)產(chǎn)品整機或其關(guān)鍵零部件進行程度不一的再設(shè)計，實現(xiàn)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(shè)計案例分享，為大家展現(xiàn)面向增材制造的產(chǎn)品正向設(shè)計和再設(shè)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(chǎn)業(yè)是能源動力裝備領(lǐng)域的最高端產(chǎn)品，代表了裝備制造業(yè)的最高技術(shù)水平。由于微型燃氣渦輪發(fā)動機的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微型化，因此至今仍需依賴國外的產(chǎn)品和技術(shù)。

安世亞太聯(lián)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(biāo)滿足設(shè)計要求，試驗中最高轉(zhuǎn)速高于14萬rpm，為世界首次全3D打印旋轉(zhuǎn)渦輪高溫點火實驗。

微型渦噴發(fā)動機在多處關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面融入了增材先進設(shè)計的概念，減少了發(fā)動機零件數(shù)量，降低了發(fā)動機的整體重量，增加了部分結(jié)構(gòu)件的強度，實現(xiàn)更低成本、更優(yōu)性能、更長壽命的目標(biāo)，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(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計融入了增材先進設(shè)計概念

用輕量化設(shè)計，實現(xiàn)工業(yè)品節(jié)材減重
降低產(chǎn)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(shè)計的直接效益是帶來工業(yè)品的節(jié)材減重。目前，再設(shè)計體系已經(jīng)在數(shù)十家企業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用，通過基于“集成化、輕量化、智能化”設(shè)計理念開展產(chǎn)品設(shè)計、基于工程仿真進行模擬計算分析、增材制造技術(shù)進行產(chǎn)品生態(tài)工藝設(shè)計和成型制造等工作，實現(xiàn)生態(tài)設(shè)計和綠色制造。

在機器人機械臂的增材設(shè)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(jié)構(gòu)光順、模型驗證，并通過3D打印工藝生產(chǎn)制造。優(yōu)化結(jié)果在最大應(yīng)力和最大變形相當(dāng)?shù)那闆r下，重量減少了40%。

機器人機械臂的再設(shè)計，重量減少了40%

而設(shè)計結(jié)構(gòu)的靜強度指標(biāo)與原始結(jié)構(gòu)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(guān)鍵性能指標(biāo)；大幅度減低機器人驅(qū)動功率，節(jié)省用戶使用成本，提高了整個機械臂結(jié)構(gòu)在長期運行條件下的可靠性。

汽車前橋的再設(shè)計則是通過設(shè)計實現(xiàn)工業(yè)品減重的最為典型的案例。在前橋殼原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將內(nèi)部加筋處理，采用增材制造技術(shù)整體成型，實現(xiàn)了將原來由數(shù)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(biāo)的前提下，重量得到大幅降低。

原來數(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能驅(qū)動的生成式設(shè)計
載荷分散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將擴散連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計集中載荷作用在結(jié)構(gòu)中心，并通過擴散連接結(jié)構(gòu)傳遞到主結(jié)構(gòu)完成集中載荷的擴散。通過優(yōu)化擴散連接結(jié)構(gòu)，更高效地將集中載荷擴散到主結(jié)構(gòu)。

拓撲優(yōu)化基于已知的設(shè)計空間、工況條件以及設(shè)計約束，并考慮工藝約束，通過計算材料內(nèi)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(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設(shè)計，成為真正的正向設(shè)計模式。

通過對最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計進行仿真驗證，并與初始結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)品正向設(shè)計和再設(shè)計，可以不斷提高工業(yè)品的品質(zhì)和功能，充分應(yīng)用技術(shù)進步和工藝改進等，降低產(chǎn)品成本，從而幫助企業(yè)成功抵御來自于技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)保、質(zhì)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。