增材制造或3D打印 作為一種替代傳統(tǒng)的制造方法正在落地并逐漸被大家接受，它區(qū)別于其它方法最顯著的優(yōu)勢是輕量化。增材制造使得產(chǎn)品部件不僅質(zhì)輕，而且剛硬，具備很高性能。航空航天工業(yè)一直是增材制造的先驅(qū)，現(xiàn)在其他行業(yè)如汽車行業(yè)等也越來越多地利用這種制造技術(shù)。特別是將增材制造應用于電動摩托車的開發(fā)，它有助于達到重量目標，同時在同樣的時間，確保產(chǎn)品的效率，使復雜的幾何形狀的制造得以實現(xiàn)。

      在此，Altair以世界首輛3D打印的摩托車樣機Airbus APWorks Light Rider為例,這是一個利用增材制造方法實現(xiàn)創(chuàng)新的產(chǎn)品。“這樣一個復雜的有機分枝空心結(jié)構(gòu)是不可能采用傳統(tǒng)的制造方法，如焊接和銑削等加工方法實現(xiàn)”Airbus APWorks GmbH 首席執(zhí)行官Joachim Zettler 說道，（APWorks GmbH 是空客Airbus 集團的全資子公司）。“要感謝拓撲優(yōu)化技術(shù)和空客公司內(nèi)部開發(fā)的新材料，使得這一全新的設(shè)計得以實現(xiàn)。”

  APWorks Light Rider: 設(shè)計研究成功案例 
     Light Rider 是由APWorks開發(fā)，為現(xiàn)有的和潛在客戶展示金屬3D打印設(shè)計研究的成功案例。APWorks這一研究標志著全新的零部件的研發(fā)、結(jié)構(gòu)再造、材料的優(yōu)化和3D打印相結(jié)合的成功。這些因素的組合導致重量和成本的節(jié)約，同時減少裝配時間，并有助于在零部件和組件集成新的額外的功能。此電動摩托車車架是基于大自然原理獲得的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。從視覺上，Light Rider的設(shè)計有點像咖啡賽車手Cafe Racer，自上世紀60年代英國系列摩托車。在APWorks工程師選定了組件如車燈、座位和顏色后，他們開始了設(shè)計流程。

此外，拓撲優(yōu)化技術(shù)和空客公司開發(fā)的高性能的鋁合金材料Scalmalloy®，是項目成功的關(guān)鍵因素。Scalmalloy®材料不僅耐腐蝕，而且結(jié)合了鋁的重量優(yōu)勢以及與鈦等同的強度優(yōu)勢。

“Light Rider展示了如何創(chuàng)建一個節(jié)省重量的精致結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)選擇輕質(zhì)高強度材料如Scalmalloy®得以實現(xiàn)。”Zettler解釋道。

 HyperWorks仿真驅(qū)動設(shè)計  

    APWorks工程師使用了Altair HyperWorks套件的各種仿真工具，對車架結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了仿真分析，HyperWorks是APWorks自2013成立以來一直使用的標準的產(chǎn)品研發(fā)軟件包。

     APWorks 設(shè)計和優(yōu)化項目工程師Patrick Schürmann，他也是幾個月來Light Rider項目的技術(shù)開發(fā)支持工程師，他解釋道：“在我們的研發(fā)過程中，我們使用HyperMesh 建模，OptiStruct 軟件進行有限元分析和拓撲優(yōu)化，HyperView進行后處理。對于Light Rider 項目的車架和造型的重新設(shè)計，我們使用了一個外部CAD 軟件，未來我們打算采用solidThinking 中的設(shè)計工具Evolve 進行設(shè)計此項工作，這樣，Altair的產(chǎn)品家族將全面覆蓋APWorks仿真驅(qū)動設(shè)計產(chǎn)品研發(fā)的整個過程。”

 優(yōu)化迎接3D打印之挑戰(zhàn)
在一個項目如Light Rider中，生成3D打印模型，優(yōu)化模型要求工程師克服三大挑戰(zhàn)：

第一：基于給定邊界條件創(chuàng)建最優(yōu)形狀，一個可以很好處理拓撲優(yōu)化結(jié)果的研發(fā)步驟；

第二：從優(yōu)化的結(jié)果導出幾何形狀 — 代替使用傳統(tǒng)的CAD工具，直接使用建模工具如solidThinking Evolve和Inspire獲得更快更好的結(jié)果；

第三：處理3D打印特定的制造約束。

 優(yōu)化準備

    對于整體結(jié)構(gòu)中零部件的優(yōu)化，如Light Rider的車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，首先是要指定一些設(shè)計參數(shù)作為邊界條件，例如滿足整體人機工程學的車輪軸間距、車把的幾何位置、腳踏板、座位定位等。在要優(yōu)化區(qū)域定義一個大的設(shè)計空間，這個設(shè)計空間與摩托車車架的外尺寸相對應，有了這些定義，軟件就知道載荷被引入的位置和各零部件之間的關(guān)系。

通過仿真計算，該軟件可以確定最佳的傳力路徑，并為工程師提供詳細的必要的材料布局。在這種優(yōu)化運算中，需要考慮摩托車車架上多種不同的載荷工況，如各種源于數(shù)據(jù)表（如正常的輪胎上的力、摩擦等）載荷；摩托車不同點的受力情況，例如把手或腳踏板上受拉或受壓等載荷。

在創(chuàng)建設(shè)計空間時，摩托車的所有裝配關(guān)系也必須考慮在內(nèi)，這些被定義為特定的邊界條件，如必要的鉆孔位置和安裝點，即使在初始的規(guī)劃階段，工程師們必須確定所有的螺栓連接關(guān)系，不能遺漏任何細節(jié)，以創(chuàng)建一個完整的裝配產(chǎn)品。

 基于OptiStruct 和 Inspire 的拓撲優(yōu)化  

     拓撲優(yōu)化在仿真和設(shè)計領(lǐng)域提供了頗有價值的支持。指定最大的設(shè)計空間，給定載荷和其他邊界條件后，定義優(yōu)化目標，之后軟件能夠計算出一個最優(yōu)的設(shè)計方案—即同時滿足剛度和固有頻率的要求、重量最小的設(shè)計。

    這個設(shè)計方案和理念來自于大自然這個非凡的設(shè)計模板。拓撲優(yōu)化特別適合于增材制造，因為它把材料只用于它需要的地方，可以很好地通過3D打印實現(xiàn)加工制造。此外，拓撲優(yōu)化軟件OptiStruct 和solidThinking/Inspire讓工程師在設(shè)計初始就可以在設(shè)計空間上定義所謂的非設(shè)計空間，這樣，軟件在這些非設(shè)計空間的區(qū)域不會對結(jié)構(gòu)做出任何的變動。“我們工程師在HyperWorks套件的使用上很有經(jīng)驗。我們非常喜歡HyperWorks，因為我們知道我們可以信賴Altair產(chǎn)品提供的結(jié)果，我們使用這個軟件工具于不同的產(chǎn)品研發(fā)階段。仿真驅(qū)動設(shè)計流程是Altair 一貫追求和支持的理念，對我們也尤為重要，因為這個流程提供了一個創(chuàng)新、可靠、受自然啟迪的設(shè)計。沒有設(shè)計驅(qū)動的流程，這些結(jié)果是不可能得到的。”Patrick Schürmann 說。

      接下來的問題是如何處理這個復雜的設(shè)計，即如何將拓撲優(yōu)化的結(jié)果導入CAD或CAE系統(tǒng)？優(yōu)化運行后的結(jié)構(gòu)常常需要重新建模，得到光順的結(jié)構(gòu)以適應3D打印。“這需要很多的know-how技術(shù)來實現(xiàn)從拓撲優(yōu)化到設(shè)計方案，進而滿足生產(chǎn)中各種需求進行全面的規(guī)劃和實施” Patrick Schürmann解釋說。重新設(shè)計后，需要利用有限元分析進行重新評估負載、應力強度或其它重要性能。在實施制造約束時，設(shè)計指南條例是一個必要的參考。最后但同樣重要的，APworks工程師的經(jīng)驗是滿足這個知識轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵。“它是一個將經(jīng)驗和軟件相結(jié)合的解決方案。由于空客集團內(nèi)部的研發(fā)部門研發(fā)了所需的材料，我們能夠直接與冶金專家溝通，這點十分重要，因為在這種方式下，仿真設(shè)計工程師能夠充分了解材料的性能，保證了我們能夠打印出所需的復雜的幾何形狀。” Patrick Schürmann解釋道。

 金屬3D 打印     
     對金屬（scalmalloy®）的生產(chǎn)，3D打印整個摩托車車架，必須考慮在3D 打印機部件的定位。迄今為止，沒有一個金屬3D打印機能夠單件打印一個整體車架，因此，不得不分為多個部件進行打印，同時考慮各個部件的定位以及充分利用打印機的空間。

    3D打印盡管很自由，但也必須考慮一些特殊的邊界條件。除了上述打印機中的組件的定位，還需要考慮具體的支撐結(jié)構(gòu)、制造方向和特殊角度等。支撐結(jié)構(gòu)需要在打印過程中固定組件并消除激光產(chǎn)生的熱。這些制造的約束是必須考慮的特別是在應用激光堆積金屬粉末床的過程中。

 革命性的結(jié)果
    Light Rider樣機展示了利用拓撲優(yōu)化、新材料、增材制造以及仿真驅(qū)動設(shè)計流程的益處，即整體減重和提升性能的潛力。這些數(shù)字很好表達了這一能力：摩托車總重量為35公斤，車架的重量只有6公斤，這輛4千瓦的電動車從0加速到45公里/小時，只需3秒鐘。

  “在我們的Light Rider項目中，拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、創(chuàng)新材料和3D打印的結(jié)合使我們能夠在摩托車研發(fā)中實現(xiàn)面向自然的設(shè)計。這正是我們在這個項目中追求的革命化和輕量化的設(shè)計，”Joachim Zettler進一步肯定了項目的成功。

(責任編輯：admin)

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