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创成式设计与增材制造,颠覆传统设计制造模式

2017/9/21    来源:e-works    作者:e-works郝秋红      
关键字:创成式设计  增材制造  拓扑优化  
创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。增材制造技术可以将复杂的设计变为现实,已成为创成式设计的“好搭档”。创成式设计与增材制造的发展正在改变着设计制造的模式。

GD+AM应用案例

    GD+AM技术融合应用的实例较多。从个性化定制的家具,仿真骨骼,到自行车链条、汽车航空航天零部件等等,这样的案例已屡见不鲜。具体来说,主要集中在以下几个领域:

    (1)航空航天、国防军工:如钛合金关键大型承力结构件、航空发动机叶片、燃油喷嘴等零部件的设计与制造。

    (2)汽车等工业制造业:高端汽车或赛车的概念设计、原型制作、产品评审、功能验证,发动机等复杂零件的直接和间接制造,异形复杂表面零部件的制造。

    (3)医疗:仿生骨骼、假肢等;

    (4)消费品:个性化家具,时尚首饰和配饰、服装鞋帽等的直接制造。

图:GD+AM应用案例

图:GD+AM应用案例(图片来源:知识自动化)

    仿生隔板

    空客和Autodesk合作设计和制造世界上最大的3D打印飞机座舱部件,目前被称为“仿生隔板”。这个案例用到了两大主要的未来智造技术:衍生设计(Generative Design的不同翻译,Autodesk的设计理念)、增材制造与新材料。衍生设计利用云计算来计算满足特定目标和约束的大量的设计方案。由于这些设计对于传统制造手段的制造者来说几乎是不可能的,增材制造技术(3D打印)是保证衍生设计成功的关键。此案例中,“仿生隔板”是通过自定义的算法,模仿细胞结构和骨骼生长来生成,然后通过3D打印技术进行制造。这种开创性的设计和制造流程制造的隔板比使用传统流程制造的产品结构更强大和更轻。

图:仿生隔板:3D打印飞机座舱部件

图:仿生隔板:3D打印飞机座舱部件

    在航空飞行中,减少重量意味着减少燃料的使用。采用结构更强大但重量更轻的晶格结构,空中客车公司的新“仿生隔板”比当前的设计重量降低45%(30公斤),据Airbus估计,如果将同样的技术应用到整个客舱和所有预订生产的A320飞机,每年可减少465000吨的CO2排放量----相当于96000辆汽车从路上消失。

    一辆超轻的电动摩托车

    空中客车集团APWorks GmbH发布了世界上第一辆3D打印摩托车Light Rider,这款3D摩托车最大的特点是重量轻、结构优,其车身总重量仅为35公斤,比普通的电动摩托车轻30%。而空客集团能取得这样的突破,与其综合应用两大技术有重大关系,一是采用了由3D打印技术制成的超强且轻质合金材料Scalmalloy;二是通过创成式设计技术,将框架设计成仿生力学结构,实现了材料的最佳分布。

    如Light Rider的车架结构的优化设计,首先是要指定一些设计参数作为边界条件,在需要优化区域定义一个大的设计空间,这个设计空间与摩托车车架的外尺寸相对应,有了这些定义,软件就知道载荷被引入的位置和各零部件之间的关系。

    通过仿真计算,该软件可以确定最佳的传力路径,并为工程师提供详细的必要的材料布局。在这种优化运算中,需要考虑摩托车车架上多种不同的载荷工况,如各种源于数据表(如正常的轮胎上的力、摩擦等)载荷;摩托车不同点的受力情况,例如把手或脚踏板上受拉或受压等载荷。

    在创建设计空间时,摩托车的所有装配关系也必须考虑在内,这些被定义为特定的边界条件,如必要的钻孔位置和安装点,即使在初始的规划阶段,工程师们必须确定所有的螺栓连接关系,不能遗漏任何细节,以创建一个完整的装配产品。

图:最大的设计空间    拓扑优化结果    基于优化结果的重新设计

图:最大的设计空间    拓扑优化结果    基于优化结果的重新设计

    Light Rider样机展示了利用拓扑优化、新材料、增材制造以及仿真驱动设计流程的益处,即整体减重和提升性能的潜力。这些数字很好表达了这一能力:摩托车总重量为35公斤,车架的重量只有6公斤,这辆4千瓦的电动车从0加速到45公里/小时,只需3秒钟。

图:Lightrider电动摩托车

图:Lightrider电动摩托车

责任编辑:郝秋红
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