重工业的轻型作业: 用于解决零件过时的拓扑优化和3D打印

来源：TCT亚洲展

"用传统的机械加工几乎不可能做到拓扑优化。然而增材制造是解决零件过时理想解决方案。"

传统的燃气轮机发动机设计

带有连接线性执行器和钟形曲轴的原始扭矩臂

面对零件过时的挑战，也许这个零件已经停产了，原来的工具也不存在了，又或者是原来的供应商已经不再经营了。想要再生产这个零件只有两个选择：寻找新的供应商，或者寻找新的生产方式。

最近，美国航空航天和国防承包商Advatech Pacific公司接到这样一个需求，只有一份大致描述图，让该公司看到了利用拓扑优化和增材制造对传统的燃气涡轮发动机进行改造以适应发电领域的新机会与新前景。

"Advatech Pacific的工程经理Matt Humrick告诉TCT："对于其中的一些零件来说，与其投入时间和金钱去创造新的铸造工具，不如通过增材制造更有意义，也更省钱。作为这个项目的成员，我们希望增材制造与拓扑优化相结合，向客户展示这两种技术是如何互补的，并为他们提供一些新的解决方案。"

拓扑优化扭力臂的ANSYS机械静力结构分析结果

为了证明这一点，团队选择了一个简单的短力矩臂部件，该部件将线性执行器连接到钟形曲轴组件，并调整燃气轮机发动机内的进气导叶。第一步是使用ANSYS的仿真原始几何和结构分析数据作为基础创建CAD模型。Matt解释道：将包含额外材料的扭矩臂模型放入ANSYS Mechanical中进行拓扑优化，并 "迭代并查看软件分析出的最佳解决方案"。

重新设计既要减轻重量，又要与原力矩臂的弯曲刚度相匹配。Advatech工程师需要能够指定的扭矩臂和轴之间的几何和表面的约束，预测接触面之间的不均匀压力，沿内边缘的负载传递明显，而在轴的外边缘几乎没有负载传递。进行分析后，经过优化的有机形状被导出到一个单独的CAD程序中进行清理和进一步迭代，然后准备在ABS中进行测试打印。

与Advatech合作完成该项目的人是，拥有25年增材制造经验的PADT（ANSYS仿真软件的授权经销商）的3D打印应用工程师Pam Waterman。PADT的目的是用更少的材料重新设计看似简单的零件。塑料原型设计提供了一种廉价的方法来演示新的几何图形，然后使用不锈钢材料进行最终打印。

基于优化的ANSYS应力结果的CAD实体模型的最终版本

Pam评论道："很显然，用传统的机械加工几乎不可能生产出这样的产品。所以增材制造是制造最终零件的理想解决方案"

将原始零件的几何形状与新的、具有预期不锈钢材料特性的优化版本进行比较，新的扭矩臂设计减重了45%，并与原始零件的刚度相匹配。然而，除了减重之外，Matt认为拓扑优化更有趣的优势是其设计工具的能力。

Matt说："拓扑优化的作用是让设计师摆脱公司的先入为主的观念和已有的设计准则，并提出您可能不会想到的新颖解决方案，这可以减轻重量或节省成本，或者只生产一个整体性能更好的零件。"

原始设计（下）和拓扑优化设计（上）

打印后在ABS中进行视觉比较。最终零件可以用不锈钢3D打印。

Matt认为，在这个测试案例中，降低加工成本和改善设计是增材制造在解决零件过时问题时的两大亮点。在这种特殊情况下，这也意味着要重新设计以满足新的废气排放要求。

Matt说："如果您要与之前没有增材制造经验的客户打交道，有时只需要把现有的零件不做任何修改打印出来，让他们体验感受实物，使他们对运用增材制造的可能性打开大门。"

Pam补充道："尽管重复做已经掌握的事情是有价值的，但更重要的是下一步该怎么走。"