Altair 发挥增材制造潜力：实现大型金属无人机框架3D打印

2011年，南非航空制造解决方案提供商Aerosud和南非科学与工业研究理事会（CSIR）联合发起了一个具有挑战性的3D打印项目Aeroswift。新一代金属增材制造系统具有比以往任何时候都更大的制造空间，Aeroswift项目的目标是激发增材制造行业潜力，提高市场竞争力，并为南非在金属AM领域提供独特的竞争优势。使用Aeroswift增材制造系统，可以打印比过去大得多的零件，打印速度比任何其他商用激光熔融设备都快10倍，从而获得一种全新的增材制造方法。

为了展示打印机制造超大航空零部件的能力，Aeroswift与Altair合作开发了一种设计大型产品的方法。一个无人驾驶飞行器框架被设计成典型案例，随后使用Aeroswift进行增材制造。为了在满足所有组件要求的同时提高可制造性，项目工程师在设计过程中使用了Altair Inspire拓扑优化功能。

行业：航空
挑战：在Aeroswift打印机上构建大型金属无人机框架，需要在提高产品性价比的同时，减少开发时间和资源浪费。
Altair解决方案：利用Altair Inspire™，工程师们设计了一个大型无人驾驶飞行器框架，用于在Aeroswift 3D打印设备上进行制造。

优点：
•优化无人机拓扑结构
•实现大尺寸3D打印
•减少开发时间、材料和浪费

更大的制造空间——Aeroswift系统能够增加零件尺寸和复杂性
Aeroswift打印机能够构建许多金属（包括钛合金）大型3D打印金属飞机部件。这些金属材料具有高性能、低重量等特点，在工业上得到了广泛的应用。无人机框架的设计使用钛合金在大型粉末床熔化打印系统（如Aeroswift打印机）进行制造。


设计初始，项目组规定了无人机飞机和框架的要求。Aeroswift的工程师们不仅想打印有史以来最大的金属框架，还想展示如何缩短构建时间和减少每个装配体的数量，并期望通过减少材料浪费，获得更好的性价比。设计过程包括无人机飞行要求、电子部件以及传动系的选择，采用拓扑优化技术的机械设计，美学改进和可制造性改进。

3D打印优化无人机框架

多重设计需求——更大、更好、更快地生产
工程师们必须满足的制造要求有一长串。在他们的设计考虑中，除了框架设计要求（比如打印机的成型空间以及无人机对称电机布置），团队还必须考虑包括美学在内的因素。
他们必须在推力重量比至少为2:5:1的情况下达到最小15分钟的飞行时间，同时框架刚度也必须最大化。最终设计必须能够通过3D打印制造出来，且打印工艺采用Ti6Al4V粉末床融化工艺。

Altair Inspire释放设计潜力——更好的设计和可打印性

Aeroswift项目工程师需要知道材料如何分布。在预先定义的设计空间中进行优化。由于特殊的结构和重量要求，自由的设计造型不能用传统的方法来制造，开发团队决定使用Altair Inspire来对框架进行拓扑优化，通过增材制造的方法进行制造。开发团队合作贡献了一个多步骤的开发流程，能够在合理的时间内生成最佳的设计。

Altair Inspire UAV 框架拓扑优化模型

结论
首先，创建一个尽可能有小细节的基本实体概念设计，然后导入Altair Inspire以运行基线有限元分析。性能检查确保能够产生合理的拓扑优化结构，保证所有组件之间的必需连接。

优化设计呈现

工程师们通过增加分支大小来进行初步优化，减少复杂的计算，找到主要的载荷路径。这一过程产生了较厚的边界，包围出最佳设计。然后，Aeroswift团队对优化结果进行几何重构，接着使用更小的优化厚度进行第二阶段拓扑优化获得更小的分支。

整体体现了从一个非常基本的设计到一个适合金属增材项目的过程，工程师对结果很满意。无人机框架符合所有要求，包括机架重量、推力重量比和飞行时间，同时保持框架刚度。最终的设计比最初预计的结果更好。“我们对结果非常满意，使用Altair Inspire我们可以建立一套流程来帮助我们获得更高标准和质量的拓扑优化框架结构。”Aeroswift的运营经理Jacobus Prinsloo说。 “如果没有Altair 工具，我们将无法充分发挥航空航天工业中增材制造的潜力。”