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铂力特课堂:金属增材制造在产品创新设计中的应用方向

   日期:2020-05-31     来源:铂力特    评论:0    
核心提示:在金属3D打印技术中,产品的优化主要通过结构优化、材料优化、工艺优化三种途径实现。
     传统加工工艺通常对设计方案的制约性强,金属增材制造技术可根据三维模型,通过“降维”快速制造复杂的几何形状零件,为复杂结构成形开拓了新的方向,让设计更自由;而创新设计则为增材制造降成本、优品质、提效率提供了路径,让产品设计师和行业用户得以探索更多极致化设计。

    在金属3D打印技术中,产品的优化主要通过结构优化、材料优化、工艺优化三种途径实现。结构优化是指通过创新设计,以设计者的设计灵感及专业知识驱动产品的实现,并进行产品的最优化探索;材料优化即通过研发始终保持金属粉末的先进性,并不断扩充粉末原材料的种类、提高粉末性能,为产品轻量化奠定应用基础;工艺优化即在实际应用中不断优化各项工艺参数,包括支撑方式、打印层厚、致密度、粗糙度等,为产品最终优化效果的实现提供保障。其中,结构优化是最能发挥设计者创造力,实现创新理念与设计实践结合的优化途径。

    金属增材制造在产品创新设计中的应用方向主要有:轻量化、流通与热效率提升、仿生融合。

    轻量化

    轻量化的目标是在给定的边界条件下,实现结构自重的最小化,同时满足一定的寿命和可靠性要求。使用金属3D打印技术制造的产品,在设计阶段即可提取最优传力路径,让结构材料充分发挥价值,减少冗余,具体可依托以下多种结构形式实现产品的轻量化:中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构和拓扑优化结构。

      应用背景:天线支架主要用于联系飞行器基体与天线部件,工作工程中需要承受一定过载和天线部件的结构重量,除具有强度要求,还需满足基频要求以避免在使用过程中出现共振。

    传统解决方案:传统支架结构毛坯多采用铸造或板焊,成品由机加工工艺实现,为了满足加工工艺要求,结构构型会受到较多的工艺性限制,很多传力路径受到工艺约束而被切断或整合。结构效率有限,存在一定冗余材料。

    创新设计方案:基于金属3D打印突出的工艺实现性和设计柔性,结合相关结构优化技术,计算提取产品对应工况条件下的最优传力路径,形成高效的拓扑结构方案,新的设计方案实现减重37%,同时强度响应及频率响应均满足使用要求。

    流通与热效率提升

    金属增材制造技术摆脱了传统机加工成形限制,让复杂结构的内流道流通从设计变为现实,同时,其“自下而上”的加工方式可更大限度实现自由设计,避免复杂内流道零件发生变形、缩孔、裂纹等缺陷。设计人员可通过对零件内流道及热管理特征的优化设计,让流道更顺畅、热效率更高。

     应用背景:壳体结构主要用来实现机器装备的防护,对于部分热环境敏感的装备,其在运行状态下产生的热量需要通过壳体来散失以保证运行可靠性,这要求壳体结构能够实现主动冷却。

    传统解决方案:主动冷却的实现多采用冷却介质的导入,通过热传导及对流实现环境内的热交换。冷却流道的布局对于散热效率有极大影响,传统冷却流道需要通过机加工及钻孔工艺实现,单体流道多为平直状,流道间的过渡需要通过不同方向钻孔的交叉实现,最后通过堵头焊接封堵,流道构型受工艺限制较大,结构在堵头区域易因焊缝失效而发生泄漏。

    创新设计方案:通过冷却流道的布局优化与分析,可以帮助零件实现更高效的冷却,同时流道的光顺连接可提升冷却介质流通效率;整个结构一体化成形,无需堵头和流道区域的二次焊接,有效降低产品失效风险。

    仿生融合

    工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感,比如:潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感,飞机的机翼设计、抗震颤装置、机头探测器等也是从鹰、蜻蜓、海鸟等动物中得到灵感......而在金属增材制造技术中,设计师多采用多尺度及微观特征设计实现结构的仿生,其可以模仿自然结构发展的方式,在减少材料的同时,促进组织长入与融合,加速肌体愈合,目前在医疗领域中的应用比较广泛。

     创新设计方案:髋臼杯表面覆盖无序多孔结构,与人体骨小梁结构更加接近,大幅降低了接触面的弹性模量,减弱了髋骨的骨吸收,增加了假体与该部位的力学适配性;同时,髋臼杯内部密布凹孔,有利于髋臼杯装配及骨细胞长入,增强组织适配性。

文章来源:铂力特
 
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