航空航天增材制造：3D打印优化的低压涡轮叶片

来源：中国3D打印网

在“空心低压涡轮叶片的初步优化”中，研究人员探讨了用于制造关键工业部件的增材制造工艺。随着材料科学的飞速发展，通过3D打印和增材制造创建部件的选择越来越多。研究人员指出，通用高级涡轮螺旋桨飞机令人印象深刻（35%的增材制造），并意在为塞斯纳·德纳利（Cessna Denali）单引擎飞机提供动力。

与传统方法相比，增材制造具有实质性的优势，特别是在生产速度和重量（降低5％）方面。研究人员指出以下是最受欢迎的PDF技术：
EOS的选择性激光烧结（SLS）或直接金属激光烧结（DMLS）
雷尼绍的选择性激光熔化（SLM）
ARCAM的电子束熔化（EBM）

增材制造技术对全球行业的影响
总体而言，增材制造为工业用户带来了实质性的好处，因为与传统的组装设计（DFA）和制造设计（DFM）技术相比，他们可以享受更轻松、更实惠的生产。增材制造还可以直接制造复杂部件，甚至包括装甲、曲柄滑块机构、齿轮、铰链、接头等等。减少了材料浪费，可以用更少的部件来制造组件，从而更容易组装。

增材制造设计（DFAM）包括以下内容：

• 规格分析
• 初始形状
• 定义一组参数
• 参数优化
• 形状验证
  

“假设通过单个增材制造过程制造部件，则设计过程首先要定义一组功能性表面，其功能是帮助将部件组装到其他部件上，传递机械或热负荷或确保液体或气密性，以防止部件与其他部件碰撞，而导致流体循环。” Abrusci表示，“此外，部件的材料必须符合制造过程以及行为要求。”

在选择材料时，由于部件具有较高的机械性能，因此可能会使用更轻的部件。Abrusci指出，通过增材制造工艺，可以得到更好的材料，例如钴铬合金。在优化过程中，用户倾向于关注重量，而重量是材料的主要组成部分。

在用于增材制造的AQNY设计中，工业用户还必须考虑：

• 优化方法选择
• 优化响应定义
• 优化目标与约束函数定义
  

增材制造技术的成本与部件复杂度

使用创新和轻质材料的能力使增材制造工艺对航空航天工业具有吸引力，更常见的是涡轮叶片等具有简化几何结构和最终优化拓扑结构的部件。这项研究的特色是Avio AIR（GE航空公司），因为他们试图利用优化的拓扑结构。本文的研究案例是安装在航空涡扇发动机上的低压涡轮转子叶片。

基本结构由风机、压缩机、燃烧室、高/低压涡轮机和喷嘴组成。转子叶片由护罩、叶片体、叶片柄和燕尾榫组成。该模型的验证包括：

• 设计空间和非设计空间的界定
• 网格、载荷和约束的应用
• 基本模型的静态分析与基线比较
• 拓扑优化包括设置功能、响应、参数等，以提高性能。
  

拓扑优化结果

模型1包含悬垂约束，但是模型2（由于设计空间更加复杂）需要进行修改以实现收敛性优化。

研究人员总结道：“静态分析结果与拓扑优化结果完全匹配，因此开发的方法得到了验证。需要采取进一步的步骤来开展有效的业务案例可行性研究，首先需要进行初步的CAD重建，以验证最终设计，还需要进行LCF和HCF分析；如果存在较高的残余应力或其他不良影响，设计人员应进行其他结构优化，并在最后一步进行完整的过程模拟。”

模型2的平滑处理无悬垂约束

几十年来，航空航天业一直在接受3D打印，但在过去的几年中，增材制造的创新迅速发展。特别是随着技术的发展，雷达系统、支架和其他类型的涡轮机部件的天线也进入了主流。

图片来源：空心低压涡轮叶片的初步优化