侵权投诉
搜索
更多>> 热门搜索:
订阅
纠错
加入自媒体

优化设计可打造性能更强的3D打印阀组

2016-04-01 09:54
科技那回事
关注

  增材制造通常被称为3D打印,与传统的制造方法相比,这种制造工艺拥有诸多优点。使用增材制造技术可以生产出几何形态极为复杂的组件,这使得设计师和工程师拥有了无可比拟的设计灵活性,并能够实现结构更加高效、更为轻量化的设计。如今,越来越多的各领域公司都试图通过增材制造获得利益。但是,大家很快就发现了这样的事实:只有在待生产组件的设计满足增材制造工艺的具体需要和约束时,3D 打印的优势才能充分发挥出来。

  2015 年,VTT(Technical Research Centre of Finland Ltd.,芬兰国家技术研究中心)在芬兰发起了一项研究计划,主要目的是进行增材制造的可行性研究。多个公共机构和民间组织出资赞助该项目,包括芬兰的公立资助机构 Tekes、VTT 以及芬兰的多家小型企业。

  VTT是北欧地区领先的科研和技术企业,由芬兰政府直接管控。在成立至今的 73 年中,VTT 在私人和公共领域为国内外的客户与合作伙伴提供了专业技术咨询服务、顶级技术研发和科学解决方案。VTT 的科研人员不断开发新的智能技术、打造高回报的创新解决方案,并与客户紧密合作,开发出既有利于客户公司,又有益于社会的新技术。

  挑战

  在这一增材制造项目中,VTT 的工程人员选择使用 Nurmi Cylinders(芬兰液压缸产品制造商,同时也是该项目的赞助方之一,其经营领域涉及海洋平台、工业产品、船舶和移动液压)的阀组作为示例。大家希望通过该项目找到一种专门面向增材制造,并可充分发挥其优势的设计方式。项目的目标是使用增材制造方式缩小阀组的尺寸、减少其材料用量并优化和改良其内部管路,进而为客户打造出更好的组件。

  负责该3D打印阀组项目的工程师是VTT研究员Erin Komi。Erin 主攻有限元声学仿真,负责为VTT 的客户进行不同产品的声学建模。最近,她开始进行增材制造设计项目,并在项目中应用拓扑优化和其他设计工具。

  解决方案

  并非所有组件或产品都适合采用3D打印,具体情况要根据其尺寸、形状和设计以及所需数量来决定。阀组就非常适合采用 3D 打印,而且如果通过增材制造方式来生产,这种组件在重量、性能和设计自由度方面都有很大的提升空间。采用传统方式设计阀组时,首先要从一个金属块开始。先通过传统制造方法将金属块修整为所需外形,然后钻出供液压流体流通的内部管路。想要精确地钻出这些管路非常困难:它们需要在特定点准确交汇,但在一些“盲”钻位置上,管路时常无法精确对准。此外,钻洞时需要开工艺孔并在最后加以密封,这就导致组件有可能在工艺孔的位置发生泄漏。

  VTT的工程人员希望通过采用优化设计和增材制造方法来替换现行的笨拙制造方式,从而改善阀组内部管路的设计和制造,并最终打造出更小、更轻、性能更强的产品。

  为设计、优化和分析阀组,VTT决定使用Altair Engineering 的 HyperWorks CAE软件套件。套件中的优化工具和有限元求解器 OptiStruct是VTT的第一选择。“我们直接选择了 OptiStruct。”Erin Komi 说道,“我们曾经使用过这款软件,我了解它的工作流程,而且对结果也很满意。所以我们顺理成章地选择使用OptiStruct。”

  “市面上有很多其它产品也能进行拓扑优化。”她继续说道,“但我觉得 HyperWorks在结果分析方面要更容易一些,这一点也很重要。OptiStruct 非常灵活,它具备许多不同的负载应用方式,并能加入响应和约束条件,这对我们的工作很有帮助。OptiStruct 赋予工程师更多的设计自由度,来建立合适的模型。”

  使用OptiStruct等工具进行拓扑优化的一个显著优点在于,设计组件时无需再建立CAD模型。只要工程师定义好设计空间及其限制条件和负载与其它边界条件,优化工具就会给出最优的设计方案。在VTT项目中,客户提供了边界条件和额外的内部限制条件,例如阀门的实际放置位置以及要加以考虑的加工误差。内部管路的尺寸、位置和方向以及一部分非设计空间也由客户选定。此案例中的设计空间是阀组,组件上开有多个孔洞,用于安装连接螺栓。OptiStruct中的形状生成工具OSSmooth在帮助VTT创建阀组优化设计的过程中起到了重要作用。工程师可利用 OSSmooth自动对设计进行网格划分并重新分析,以确保满足所有初始设计需求,而且不超出任何压力限值。在那时,设计还只停留在粗略模型的阶段,经常存在一些压力尖峰。这种情况下并不适合进行3D打印。

  为解决这一问题,VTT使用了Altair合作伙伴联盟中的一款由 Materialise 出品的软件应用——3-maticsSTL。HyperWorks 用户凭借其现有的HyperWorks许可证即可通过合作伙伴联盟访问诸多第三方工具,无需额外支付费用。通过3-maticSTL软件,可对3D贴图、轻量级模型和保形结构进行设计修改、重新网格划分及创建,而这一切都在 STL(光固化立体造型)层面上进行。在这个项目中,3-maticsSTL帮助Komi将其优化后的网格转化为可打印文件。

  Komi解释说:“我通过Altair了解了Materialise。在某些开发步骤中,我尝试使用HyperMesh来准备用于打印的模型,结果发现这项工作非常麻烦。要花费几天的时候,而结果却并不尽如人意。当我接触到3-maticsSTL并开始尝试使用之后,过去需要数日的工作现在只要几个小时就能完成,而且最终效果要比以前更好。还有一个优点是,我们可以通过我们的HyperWorks许可证访问该工具,所以不需要额外的软件投资。”

  阀组经历了多次设计迭代。在特定区域上,Komi得到的结果要比客户提供的原始设计空间尺寸更小。结果证明,客户认为设计空间越小,优化后的最终设计就能更小,所以缩小了设计空间的尺寸。然而,事实未必如此。只需给定在压力和施力作用下的自然流动情况,并采用完全自由的设计方式,工程师就能获得最佳优化结果,其中就包括最轻最小但刚度最高的设计。

  为进一步优化阀组的性能,Komi改变了内部液体管路的走向。起初,这些管路呈 S 形弯曲,横截部分为圆形。为了采用增材制造方式生产该阀组,VTT必须要使用SLM(选择性激光熔融)设备。由于管路过于狭窄,如果使用 SLM 方法,就无法按照建议在管路内添加内部支撑。而 VTT 与客户共同制定的解决方案是维持相同的横截区域,但更改管路的形状和路径。

  项目的主要目标之一是建立针对SLM的“设计规则”。其中包括各类指南,比如,既然设计中不需要支撑结构,那么可采用椭圆形或菱形通路设计来取代圆形通路,从而使整体结构更便于使用SLM方法进行打印。VTT得到的另一个结果是,打印结构与基板之间的最佳夹角为45度。根据这些堪称SLM打印机最佳实践的设计规则,VTT可以定义一系列的“设计规则”,并在此后推荐给客户。

  结论

  使用新方法设计和生产阀组的结果十分惊人:组件尺寸和重量大幅减小,内部管路中的液流得到改善,而且所有压力和强度要求均得到满足。按照估计,使用传统钻孔技术制造的阀组重 2.5千克以上。而采用3D打印方式制造的新优化阀组仅为不到600克,与传统的设计和制造方法相比,组件重量减轻了76%。此外,新增材制造工艺的材料浪费率也更低。Komi表示,这一研究项目的成功不仅为客户 Nurmi Cylinders 带来了益处,也使 VTT 受益良多。“所有参与该项目的人员都对结果感到十分高兴。”Komi 这样说道,“这是一个公共项目,我们可以展示得到的结果以及所采用的解决途径。这个项目也非常有趣,因为可以使用阀组获得经过良好定义的载荷工况,这在尝试优化结构时是很重要的。经过拓扑优化,我们得到了一个外观新奇复杂的有机形态设计,它的打印难度很大,这使得打印流程的规划工作变成了一种学习体验。具体而言,我们需要考虑平台上的打印方向、去除不需要的内部支撑、尽可能减少外部支撑的需求,以及各种其它方面的因素。对我们来说,自行进行3D打印也是很好的学习经历。”她接着说道,“VTT在大约一年前购入了SLM打印机,目前我们还在不断改良设计流程,研究究竟什么样的设计适合3D打印。以此为中心进行实际的3D打印设计可以说是一个学习的过程。我们早在设计阶段就发现了3D打印的优势,并将其纳入考量范畴。这个项目让我们可以成功地使用该技术。”

  Komi相信,如果不使用拓扑优化工具,想要实现相同的设计十分困难。阀组现在呈自然有机形状,这经过了OptiStruct的优化建议和3-maticsSTL的改良。仅凭初始材料块的外观,假如没有Altair HyperWorks工具的帮助,几乎没有人可以创造出类似的设计。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号