重工業(yè)的輕型作業(yè): 用于解決零件過時的拓撲優(yōu)化和3D打印

來源：TCT亞洲展

"用傳統(tǒng)的機械加工幾乎不可能做到拓撲優(yōu)化。然而增材制造是解決零件過時理想解決方案。"

傳統(tǒng)的燃氣輪機發(fā)動機設計

帶有連接線性執(zhí)行器和鐘形曲軸的原始扭矩臂

面對零件過時的挑戰(zhàn)，也許這個零件已經(jīng)停產(chǎn)了，原來的工具也不存在了，又或者是原來的供應商已經(jīng)不再經(jīng)營了。想要再生產(chǎn)這個零件只有兩個選擇：尋找新的供應商，或者尋找新的生產(chǎn)方式。

最近，美國航空航天和國防承包商Advatech Pacific公司接到這樣一個需求，只有一份大致描述圖，讓該公司看到了利用拓撲優(yōu)化和增材制造對傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機進行改造以適應發(fā)電領域的新機會與新前景。

"Advatech Pacific的工程經(jīng)理Matt Humrick告訴TCT："對于其中的一些零件來說，與其投入時間和金錢去創(chuàng)造新的鑄造工具，不如通過增材制造更有意義，也更省錢。作為這個項目的成員，我們希望增材制造與拓撲優(yōu)化相結合，向客戶展示這兩種技術是如何互補的，并為他們提供一些新的解決方案。"

拓撲優(yōu)化扭力臂的ANSYS機械靜力結構分析結果

為了證明這一點，團隊選擇了一個簡單的短力矩臂部件，該部件將線性執(zhí)行器連接到鐘形曲軸組件，并調(diào)整燃氣輪機發(fā)動機內(nèi)的進氣導葉。第一步是使用ANSYS的仿真原始幾何和結構分析數(shù)據(jù)作為基礎創(chuàng)建CAD模型。Matt解釋道：將包含額外材料的扭矩臂模型放入ANSYS Mechanical中進行拓撲優(yōu)化，并 "迭代并查看軟件分析出的最佳解決方案"。

重新設計既要減輕重量，又要與原力矩臂的彎曲剛度相匹配。Advatech工程師需要能夠指定的扭矩臂和軸之間的幾何和表面的約束，預測接觸面之間的不均勻壓力，沿內(nèi)邊緣的負載傳遞明顯，而在軸的外邊緣幾乎沒有負載傳遞。進行分析后，經(jīng)過優(yōu)化的有機形狀被導出到一個單獨的CAD程序中進行清理和進一步迭代，然后準備在ABS中進行測試打印。

與Advatech合作完成該項目的人是，擁有25年增材制造經(jīng)驗的PADT（ANSYS仿真軟件的授權經(jīng)銷商）的3D打印應用工程師Pam Waterman。PADT的目的是用更少的材料重新設計看似簡單的零件。塑料原型設計提供了一種廉價的方法來演示新的幾何圖形，然后使用不銹鋼材料進行最終打印。

基于優(yōu)化的ANSYS應力結果的CAD實體模型的最終版本

Pam評論道："很顯然，用傳統(tǒng)的機械加工幾乎不可能生產(chǎn)出這樣的產(chǎn)品。所以增材制造是制造最終零件的理想解決方案"

將原始零件的幾何形狀與新的、具有預期不銹鋼材料特性的優(yōu)化版本進行比較，新的扭矩臂設計減重了45%，并與原始零件的剛度相匹配。然而，除了減重之外，Matt認為拓撲優(yōu)化更有趣的優(yōu)勢是其設計工具的能力。

Matt說："拓撲優(yōu)化的作用是讓設計師擺脫公司的先入為主的觀念和已有的設計準則，并提出您可能不會想到的新穎解決方案，這可以減輕重量或節(jié)省成本，或者只生產(chǎn)一個整體性能更好的零件。"

原始設計（下）和拓撲優(yōu)化設計（上）

打印后在ABS中進行視覺比較。最終零件可以用不銹鋼3D打印。

Matt認為，在這個測試案例中，降低加工成本和改善設計是增材制造在解決零件過時問題時的兩大亮點。在這種特殊情況下，這也意味著要重新設計以滿足新的廢氣排放要求。

Matt說："如果您要與之前沒有增材制造經(jīng)驗的客戶打交道，有時只需要把現(xiàn)有的零件不做任何修改打印出來，讓他們體驗感受實物，使他們對運用增材制造的可能性打開大門。"

Pam補充道："盡管重復做已經(jīng)掌握的事情是有價值的，但更重要的是下一步該怎么走。"