航空航天增材制造：3D打印優(yōu)化的低壓渦輪葉片

來源：中國3D打印網(wǎng)

在“空心低壓渦輪葉片的初步優(yōu)化”中，研究人員探討了用于制造關(guān)鍵工業(yè)部件的增材制造工藝。隨著材料科學的飛速發(fā)展，通過3D打印和增材制造創(chuàng)建部件的選擇越來越多。研究人員指出，通用高級渦輪螺旋槳飛機令人印象深刻（35%的增材制造），并意在為塞斯納·德納利（Cessna Denali）單引擎飛機提供動力。

與傳統(tǒng)方法相比，增材制造具有實質(zhì)性的優(yōu)勢，特別是在生產(chǎn)速度和重量（降低5％）方面。研究人員指出以下是最受歡迎的PDF技術(shù)：
EOS的選擇性激光燒結(jié)（SLS）或直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）
雷尼紹的選擇性激光熔化（SLM）
ARCAM的電子束熔化（EBM）

增材制造技術(shù)對全球行業(yè)的影響
總體而言，增材制造為工業(yè)用戶帶來了實質(zhì)性的好處，因為與傳統(tǒng)的組裝設(shè)計（DFA）和制造設(shè)計（DFM）技術(shù)相比，他們可以享受更輕松、更實惠的生產(chǎn)。增材制造還可以直接制造復雜部件，甚至包括裝甲、曲柄滑塊機構(gòu)、齒輪、鉸鏈、接頭等等。減少了材料浪費，可以用更少的部件來制造組件，從而更容易組裝。

增材制造設(shè)計（DFAM）包括以下內(nèi)容：

• 規(guī)格分析
• 初始形狀
• 定義一組參數(shù)
• 參數(shù)優(yōu)化
• 形狀驗證
  

“假設(shè)通過單個增材制造過程制造部件，則設(shè)計過程首先要定義一組功能性表面，其功能是幫助將部件組裝到其他部件上，傳遞機械或熱負荷或確保液體或氣密性，以防止部件與其他部件碰撞，而導致流體循環(huán)�！� Abrusci表示，“此外，部件的材料必須符合制造過程以及行為要求。”

在選擇材料時，由于部件具有較高的機械性能，因此可能會使用更輕的部件。Abrusci指出，通過增材制造工藝，可以得到更好的材料，例如鈷鉻合金。在優(yōu)化過程中，用戶傾向于關(guān)注重量，而重量是材料的主要組成部分。

在用于增材制造的AQNY設(shè)計中，工業(yè)用戶還必須考慮：

• 優(yōu)化方法選擇
• 優(yōu)化響應定義
• 優(yōu)化目標與約束函數(shù)定義
  

增材制造技術(shù)的成本與部件復雜度

使用創(chuàng)新和輕質(zhì)材料的能力使增材制造工藝對航空航天工業(yè)具有吸引力，更常見的是渦輪葉片等具有簡化幾何結(jié)構(gòu)和最終優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)的部件。這項研究的特色是Avio AIR（GE航空公司），因為他們試圖利用優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)。本文的研究案例是安裝在航空渦扇發(fā)動機上的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。

基本結(jié)構(gòu)由風機、壓縮機、燃燒室、高/低壓渦輪機和噴嘴組成。轉(zhuǎn)子葉片由護罩、葉片體、葉片柄和燕尾榫組成。該模型的驗證包括：

• 設(shè)計空間和非設(shè)計空間的界定
• 網(wǎng)格、載荷和約束的應用
• 基本模型的靜態(tài)分析與基線比較
• 拓撲優(yōu)化包括設(shè)置功能、響應、參數(shù)等，以提高性能。
  

拓撲優(yōu)化結(jié)果

模型1包含懸垂約束，但是模型2（由于設(shè)計空間更加復雜）需要進行修改以實現(xiàn)收斂性優(yōu)化。

研究人員總結(jié)道：“靜態(tài)分析結(jié)果與拓撲優(yōu)化結(jié)果完全匹配，因此開發(fā)的方法得到了驗證。需要采取進一步的步驟來開展有效的業(yè)務(wù)案例可行性研究，首先需要進行初步的CAD重建，以驗證最終設(shè)計，還需要進行LCF和HCF分析；如果存在較高的殘余應力或其他不良影響，設(shè)計人員應進行其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在最后一步進行完整的過程模擬。”

模型2的平滑處理無懸垂約束

幾十年來，航空航天業(yè)一直在接受3D打印，但在過去的幾年中，增材制造的創(chuàng)新迅速發(fā)展。特別是隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達系統(tǒng)、支架和其他類型的渦輪機部件的天線也進入了主流。

圖片來源：空心低壓渦輪葉片的初步優(yōu)化