航空航天增材制造：3D打印優(yōu)化的低壓渦輪葉片

來(lái)源：中國(guó)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(xué)的飛速發(fā)展，通過(guò)3D打印和增材制造創(chuàng)建部件的選擇越來(lái)越多。研究人員指出，通用高級(jí)渦輪螺旋槳飛機(jī)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(jī)提供動(dòng)力。

與傳統(tǒng)方法相比，增材制造具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)，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(duì)全球行業(yè)的影響
總體而言，增材制造為工業(yè)用戶帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的好處，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的組裝設(shè)計(jì)（DFA）和制造設(shè)計(jì)（DFM）技術(shù)相比，他們可以享受更輕松、更實(shí)惠的生產(chǎn)。增材制造還可以直接制造復(fù)雜部件，甚至包括裝甲、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪、鉸鏈、接頭等等。減少了材料浪費(fèi)，可以用更少的部件來(lái)制造組件，從而更容易組裝。

增材制造設(shè)計(jì)（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(yàn)證
  

“假設(shè)通過(guò)單個(gè)增材制造過(guò)程制造部件，則設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)械或熱負(fù)荷或確保液體或氣密性，以防止部件與其他部件碰撞，而導(dǎo)致流體循環(huán)。” Abrusci表示，“此外，部件的材料必須符合制造過(guò)程以及行為要求?！?br />
在選擇材料時(shí)，由于部件具有較高的機(jī)械性能，因此可能會(huì)使用更輕的部件。Abrusci指出，通過(guò)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(guò)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(jì)中，工業(yè)用戶還必須考慮：

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

增材制造技術(shù)的成本與部件復(fù)雜度

使用創(chuàng)新和輕質(zhì)材料的能力使增材制造工藝對(duì)航空航天工業(yè)具有吸引力，更常見(jiàn)的是渦輪葉片等具有簡(jiǎn)化幾何結(jié)構(gòu)和最終優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部件。這項(xiàng)研究的特色是Avio AIR（GE航空公司），因?yàn)樗麄冊(cè)噲D利用優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文的研究案例是安裝在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。

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

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

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

模型1包含懸垂約束，但是模型2（由于設(shè)計(jì)空間更加復(fù)雜）需要進(jìn)行修改以實(shí)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?fù)鋬?yōu)化結(jié)果完全匹配，因此開(kāi)發(fā)的方法得到了驗(yàn)證。需要采取進(jìn)一步的步驟來(lái)開(kāi)展有效的業(yè)務(wù)案例可行性研究，首先需要進(jìn)行初步的CAD重建，以驗(yàn)證最終設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行LCF和HCF分析；如果存在較高的殘余應(yīng)力或其他不良影響，設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在最后一步進(jìn)行完整的過(guò)程模擬?！?br />

模型2的平滑處理無(wú)懸垂約束

幾十年來(lái)，航空航天業(yè)一直在接受3D打印，但在過(guò)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(dá)系統(tǒng)、支架和其他類型的渦輪機(jī)部件的天線也進(jìn)入了主流。

圖片來(lái)源：空心低壓渦輪葉片的初步優(yōu)化