更低成本、更優(yōu)性能，面向增材的先進(jìn)設(shè)計(jì)為工業(yè)品提能增效

來源：安世亞太

3D打印不僅是一種新工藝手段，更是新一輪產(chǎn)業(yè)革命中改變?nèi)祟惿�產(chǎn)和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系，其背后的增材思維正在帶來一場釋放設(shè)計(jì)自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的革命。安世亞太作為我國先進(jìn)設(shè)計(jì)與增材制造服務(wù)企業(yè)，提出以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造一體化解決方案，通過先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力的飛速提升，并建立了面向增材的從設(shè)計(jì)到制造再到服務(wù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)，是一種正向設(shè)計(jì)體系的思維和能力。采用仿真模擬或正向設(shè)計(jì)技術(shù)，借助設(shè)計(jì)創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等手段開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并借助虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)的過程中，工程師可以打破工藝的束縛，專注于需求，設(shè)計(jì)任何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，而不需要考慮制造工藝的局限，從而實(shí)現(xiàn)對各類工業(yè)產(chǎn)品整機(jī)或其關(guān)鍵零部件進(jìn)行程度不一的再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)品節(jié)材減重、性能提升。

接下來，通過以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)案例分享，為大家展現(xiàn)面向增材制造的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)的魅力。


助力燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)創(chuàng)新

航空發(fā)動機(jī)與燃?xì)鉁u輪產(chǎn)業(yè)是能源動力裝備領(lǐng)域的最高端產(chǎn)品，代表了裝備制造業(yè)的最高技術(shù)水平。由于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微型化，因此至今仍需依賴國外的產(chǎn)品和技術(shù)。

安世亞太聯(lián)合深圳意動航空科技有限公司成功開發(fā)了兩款全3D打印微型渦噴發(fā)動機(jī)，10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)中最高轉(zhuǎn)速高于14萬rpm，為世界首次全3D打印旋轉(zhuǎn)渦輪高溫點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。

微型渦噴發(fā)動機(jī)在多處關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面融入了增材先進(jìn)設(shè)計(jì)的概念，減少了發(fā)動機(jī)零件數(shù)量，降低了發(fā)動機(jī)的整體重量，增加了部分結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)更低成本、更優(yōu)性能、更長壽命的目標(biāo)，是滿足先進(jìn)低成本微小型空中武器系統(tǒng)推進(jìn)動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進(jìn)動力裝置。

微型渦噴發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融入了增材先進(jìn)設(shè)計(jì)概念

用輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)品節(jié)材減重
降低產(chǎn)品重量對提升操控性，降低成本和能耗等大有裨益。以增材思維為核心的工業(yè)再設(shè)計(jì)的直接效益是帶來工業(yè)品的節(jié)材減重。目前，再設(shè)計(jì)體系已經(jīng)在數(shù)十家企業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用，通過基于“集成化、輕量化、智能化”設(shè)計(jì)理念開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、基于工程仿真進(jìn)行模擬計(jì)算分析、增材制造技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品生態(tài)工藝設(shè)計(jì)和成型制造等工作，實(shí)現(xiàn)生態(tài)設(shè)計(jì)和綠色制造。

在機(jī)器人機(jī)械臂的增材設(shè)計(jì)中，安世亞太在ANSYS平臺下完成了對機(jī)器人兩個機(jī)械臂部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，流程包括拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)光順、模型驗(yàn)證，并通過3D打印工藝生產(chǎn)制造。優(yōu)化結(jié)果在最大應(yīng)力和最大變形相當(dāng)?shù)那闆r下，重量減少了40%。

機(jī)器人機(jī)械臂的再設(shè)計(jì)，重量減少了40%

而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度指標(biāo)與原始結(jié)構(gòu)保持基本一致，動、靜剛度均有較大程度提高，從而有助于提高定位精度、對編程軌跡的跟蹤精度、以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)；大幅度減低機(jī)器人驅(qū)動功率，節(jié)省用戶使用成本，提高了整個機(jī)械臂結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)行條件下的可靠性。

汽車前橋的再設(shè)計(jì)則是通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)品減重的最為典型的案例。在前橋殼原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將內(nèi)部加筋處理，采用增材制造技術(shù)整體成型，實(shí)現(xiàn)了將原來由數(shù)十個鋼制零件連接而成的前橋殼整體鑄造成一個鋁制零件，在不降低性能指標(biāo)的前提下，重量得到大幅降低。

原來數(shù)十個鋼制零件連接而成的前橋殼整體鑄造成一個鋁制件

載荷分散結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能驅(qū)動的生成式設(shè)計(jì)
載荷分散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)集中載荷作用在結(jié)構(gòu)中心，并通過擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)傳遞到主結(jié)構(gòu)完成集中載荷的擴(kuò)散。通過優(yōu)化擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)，更高效地將集中載荷擴(kuò)散到主結(jié)構(gòu)。

拓?fù)鋬?yōu)化基于已知的設(shè)計(jì)空間、工況條件以及設(shè)計(jì)約束，并考慮工藝約束，通過計(jì)算材料內(nèi)最佳的傳力路徑，通過優(yōu)化單元密度確定可以挖除的材料。實(shí)現(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設(shè)計(jì)，成為真正的正向設(shè)計(jì)模式。

通過對最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并與初始結(jié)構(gòu)的極限承載力進(jìn)行比對，得出：極限承載力提高了55%。

通過對最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，極限承載力提高了55%

對于中國制造業(yè)來說，通過面向增材制造的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)，可以不斷提高工業(yè)品的品質(zhì)和功能，充分應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步和工藝改進(jìn)等，降低產(chǎn)品成本，從而幫助企業(yè)成功抵御來自于技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)保、質(zhì)量等多方面的生存威脅，幫助企業(yè)獲得可持續(xù)發(fā)展的恒久動力。