火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與3D打印探索

基于粉末床選區(qū)激光熔化的金屬3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)零件方面，給予了設(shè)計(jì)師更廣闊的設(shè)計(jì)空間。利用金屬3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)和專有的建模軟件，設(shè)計(jì)師可以實(shí)現(xiàn)出多種的輕量化結(jié)構(gòu)。莫納什大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)通過金屬3D打印設(shè)備和輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件進(jìn)行了再設(shè)計(jì)和探索，該科研項(xiàng)目的其中一個(gè)研究成果是一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化3D打印零件。

通過EOS M280 打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化零件原型

實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑：增材設(shè)計(jì)思維+金屬3D打印

莫納什大學(xué)在航空航天增材制造領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗(yàn)積累，其科研團(tuán)隊(duì)和大學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司Amaero Engineering ，曾與法國宇航企業(yè)賽峰集團(tuán)合作，開發(fā)了兩臺(tái)3D打印的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，目前該發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化階段。除了在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造方面的研究，莫納什大學(xué)和Amaero Engineering還與Betatype合作，通過Betatype復(fù)雜晶格建模軟件平臺(tái)Engine-Platform 開發(fā)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化零件。

在這個(gè)研究項(xiàng)目的最后一年，莫納什大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列體現(xiàn)3D打印特點(diǎn)的概念性火箭零件，其中一個(gè)零件是火箭壁內(nèi)的帶有隨形冷卻夾芯結(jié)構(gòu)的輕量化零件。由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，莫納什大學(xué)團(tuán)隊(duì)自己開發(fā)了腳本指定零件中的微格結(jié)構(gòu)，通過Engine-Platform軟件中開放的 Arch格式，研究團(tuán)隊(duì)能夠避免因創(chuàng)建網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。軟件中抽象的算法，大大降低了CAD模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，使得模型數(shù)據(jù)更容易管理。

通過Concept Laser X-Line 打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化零件原型

在設(shè)計(jì)完成之后，莫納什大學(xué)通過EOS M 280 金屬3D打印設(shè)備和不銹鋼316L材料制造了一批零件的原型，并通過 Concept Laser X-Line 金屬3D打印設(shè)備打印一組尺寸較大的零件原型。

實(shí)現(xiàn)輕量化主要有兩種途徑，宏觀層面上可以通過采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等材料來達(dá)到目的。微觀層面上可以通過采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于輕量化。而3D打印通過實(shí)現(xiàn)特殊的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)輕量化提供了新的可行性。

在設(shè)計(jì)輕量化結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需要結(jié)合整個(gè)零件的功能實(shí)現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。輕量化結(jié)構(gòu)零件由基本結(jié)構(gòu)、外形結(jié)構(gòu)及超輕結(jié)構(gòu)合成，在這個(gè)過程中，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)能力的水平。

在國內(nèi)外的金屬3D打印企業(yè)中，英國雷尼紹、西安鉑力特等金屬3D打印企業(yè)也針對(duì)增材制造輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量探索，例如，鉑力特針對(duì)中空夾層、薄壁加筋，鏤空點(diǎn)陣，功能集成的一體化這四種典型的輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，通過輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和金屬3D打印設(shè)備為航空航天、汽車等機(jī)械輕量化零件的制造提供解決方案。
在設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域，Altair的solidThinking Inspire 拓?fù)鋬?yōu)化軟件在設(shè)計(jì)輕量化3D打印零部件領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，例如，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)通過Inspire軟件，基于金屬3D打印的方式重新設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向柱底座,將必要部件數(shù)量從四個(gè)減少為一個(gè),節(jié)省了35%的重量(從500g減少至330g)。

來源：3D科學(xué)谷
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