面對增材制造的設(shè)計(jì)：柴油發(fā)動機(jī)支架如何做到成本節(jié)約和性能優(yōu)化？

激光增材制造專家Stéphanie Giet將為我們介紹柴油發(fā)動機(jī)支架的設(shè)計(jì)案例。面向增材制造的重新設(shè)計(jì)，在減輕重量、優(yōu)化性能和降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮了重要作用。據(jù)南極熊了解，近日，一群來自康明斯巴西公司、巴西圣保羅大學(xué)理工學(xué)院、加拿大奧什瓦安大略大學(xué)理工學(xué)院的工程師對增材制造的設(shè)計(jì)自由度進(jìn)行了探索，用以提升柴油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)性能。針對這些擁有多個特定性能的部件，在概念論證中涉及到了一種新的設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)成功地做到了重量最小化，并且優(yōu)化了性能、降低了制造成本。

柴油發(fā)動機(jī)支撐架的優(yōu)化模型。全新的結(jié)構(gòu)形態(tài)，在減輕重量、減少材料使用的基礎(chǔ)上，能夠針對分析得出的負(fù)載量給出相應(yīng)的支撐。

增材制造和拓?fù)鋬?yōu)化：天然的結(jié)合

增材制造幾乎可以成形任意形狀的部件，面向增材制造的設(shè)計(jì)過程中，讓設(shè)計(jì)師可以專注于部件內(nèi)部功能的組合，例如優(yōu)化重量與性能比。增材制造可能是與拓?fù)鋬?yōu)化最天然匹配的一種制造方法，它可以選擇性地將根據(jù)零件功能來進(jìn)行材料分布。在傳統(tǒng)制造中，幾何形狀越復(fù)雜，成本就越高，但在增材制造中，形狀的復(fù)雜性幾乎不用考慮，優(yōu)化可以減少材料使用、減少重量和成本。

對可設(shè)計(jì)部分進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)流程方案。增材制造在復(fù)雜形狀制造上的天然優(yōu)勢，很容易將拓補(bǔ)優(yōu)化方案納入流程中。當(dāng)然也不是所有的機(jī)械系統(tǒng)的部件都適于增材制造，因此，通過設(shè)計(jì)分析來確定增材制造可以帶來最大的效益是很有必要的。

如何做一個面向增材制造的成功設(shè)計(jì)?

“成功”意味著，這種設(shè)計(jì)/重新設(shè)計(jì)應(yīng)該帶來科技和經(jīng)濟(jì)效益，比如：(A)降低制造成本——也許是通過簡化裝配或者減少一些大的投入，像部分特定的工具;(B)增加生產(chǎn)運(yùn)作效益，通過降低成產(chǎn)成本、提高性能或者提供一些獨(dú)特的性能。在汽車工業(yè)中，對低成本、可靠、耐用、輕質(zhì)零部件的需求正推動著工程師和研發(fā)人員重新評估部件設(shè)計(jì)，柴油發(fā)動機(jī)支架——一個傳統(tǒng)機(jī)械加工出的金屬結(jié)構(gòu)，是用來驗(yàn)證重新設(shè)計(jì)的不錯的選擇。

如何進(jìn)行設(shè)計(jì)分析?如何選擇合適的增材制造技術(shù)?

在重新設(shè)計(jì)之前越早確定要選擇的增材制造技術(shù)越好，因?yàn)檫@涉及到最初的設(shè)計(jì)規(guī)則。在金屬增材制造中，選擇性激光融化(SLM)屬于粉床熔化的分類，被稱為直接金屬激光融化，該技術(shù)以其基本機(jī)制命名。該過程依賴于用一個細(xì)微的激光束在粉末床上連續(xù)的層中進(jìn)行掃描，選擇性地熔化復(fù)雜軌道，最終的部件來源于融化粉末的凝固。高精度的優(yōu)勢是SLM往往被用于精細(xì)、復(fù)雜部件成形的原因，所以柴油機(jī)支架的制造也選擇了這種技術(shù)。

相對于傳統(tǒng)的減材制造，SLM的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面：

形狀的復(fù)雜性：SLM可以制造任意的實(shí)體形狀，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的小批量制造，輕松定制和優(yōu)化幾何形狀;高精度：材料是用一個精細(xì)的激光束，逐點(diǎn)、逐層處理;層次的復(fù)雜性：擁有足夠精度的機(jī)器，意味著可以一次性完成復(fù)雜、多層次的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，精度從0.1至10mm不等;功能的復(fù)雜性，幾何形狀的靈活性：可以將多種功能集成到一個部件上來，以往則需要制造多個部件。

柴油發(fā)動機(jī)支架及其運(yùn)作環(huán)境

在內(nèi)燃機(jī)中，發(fā)動機(jī)支架是負(fù)責(zé)保持動力系統(tǒng)的部件，除了發(fā)動機(jī)以外，它還包括傳動系統(tǒng)和配件，將動力傳送系統(tǒng)與車輛底盤相連接。而發(fā)動機(jī)支架緊密相關(guān)的是冷卻驅(qū)動系統(tǒng)，它由三個滑輪組成：驅(qū)動器滑輪與曲柄軸鼻部連接，中間滑輪對系統(tǒng)傳送帶施加壓力，動滑輪則用于驅(qū)動風(fēng)扇。然后，柴油發(fā)動機(jī)支架與中間滑輪之間錨定。

冷卻系統(tǒng)部件

包含三個滑輪的冷卻系統(tǒng)，增材制造重新設(shè)計(jì)的過程要考慮到該系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)支撐架錨定時產(chǎn)生的負(fù)載。整個部件圍繞零件的兩個獨(dú)立功能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的，既連接了動力傳動系統(tǒng)和底盤，又支撐著中間的壓力滑輪。

融合式設(shè)計(jì)：兼顧SLM技術(shù)和拓補(bǔ)優(yōu)化

盡管有成功的SLM重新設(shè)計(jì)案例作為借鑒，相應(yīng)的專有規(guī)則仍然缺乏，需要進(jìn)一步探討。 大多數(shù)這樣的規(guī)則目前主要由用戶內(nèi)部開發(fā)，并且被他們視為重要的商業(yè)化優(yōu)勢。 同樣關(guān)鍵的還有增材制造設(shè)計(jì)的工作流程，要保證可以進(jìn)行高效的重新設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化與設(shè)計(jì)制造的無縫對接。

這一工作流程必須從以下幾個方面著手：
準(zhǔn)確了解組件的標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)要求
了解/考慮SLM技術(shù)的優(yōu)勢和限制所在
在設(shè)計(jì)階段就要考慮后處理技術(shù)

確定制造時間和成本范疇
對發(fā)動機(jī)支撐架的要求主要是在承重方面。為了確定優(yōu)化過程中要設(shè)置的負(fù)載值，要把車輛模型放在特殊軌道中進(jìn)行測試。通過動力系統(tǒng)中的加速度監(jiān)測儀，可以隨時記錄車輛運(yùn)行的加速度狀況。

全新的柴油發(fā)動機(jī)支撐架模型(藍(lán)色部分)，以及與之連接的中間壓力齒輪。與壓力齒輪精準(zhǔn)對接是它的一個關(guān)鍵功能。也可以通過其他方式獲得相關(guān)負(fù)載值。 與冷卻系統(tǒng)相關(guān)的輪轂，可以通過商業(yè)化軟件得出其負(fù)載大小和方向的相關(guān)數(shù)值，其中會考慮到傳送帶的材料，功率消耗與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的對比曲線，以及汽車的占空比等。夾緊載荷這使用超聲波裝置測量。

基于數(shù)據(jù)形成氣缸腔、螺栓和中間壓力滑輪的有限元模型，然后就可以開始結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)優(yōu)化的迭代計(jì)算過程。有限元網(wǎng)格設(shè)計(jì)可以在得出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，幫助發(fā)動機(jī)支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拓補(bǔ)優(yōu)化

突破設(shè)計(jì)局限，利用增材制造實(shí)現(xiàn)部件性能優(yōu)化
在這種分析的過程中，最關(guān)鍵的是認(rèn)識到增材制造在設(shè)計(jì)靈活性上的限度。這種靈活性允許設(shè)計(jì)師專注于利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)來提升部件功能。在已知施加載荷、邊界條件和設(shè)計(jì)體積，求解器可以得出某個結(jié)構(gòu)部件的最佳材料使用量和材料分布。

然而，設(shè)計(jì)師和工程師們往往為了確保一個可用于制造的方案，在拓?fù)鋬?yōu)化問題上過度束手束腳。這種做法容易造成浪費(fèi)，并且可能無法充分發(fā)揮增材制造的自由設(shè)計(jì)優(yōu)勢。了解其增材制造的優(yōu)勢所在，并不斷去突破設(shè)計(jì)上的限制，才能真正利用增材制造最大化地挖掘部件制造的競爭力。

關(guān)于作者
Stéphanie Giet，激光增材制造專家。對整個增材制造流程鏈(如設(shè)計(jì)、流程開發(fā)和生產(chǎn)準(zhǔn)備)有深刻的理解和豐富的應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。她目前在為一家位于英國的激光粉末床熔融技術(shù)制造商工作。
來源：3d打印世界
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