航空航天增材制造：3D打印優(yōu)化的低壓渦輪葉片

一組研究人員在《中空低壓渦輪葉片的初步優(yōu)化》中探討了用于制造關(guān)鍵工業(yè)組件的增材制造工藝。隨著(zhù)材料科學(xué)的飛速發(fā)展，通過(guò)3D打印和增材制造創(chuàng )建零件的選擇有很多。 Abrusci指出，GE Advanced Turboprop（35％的添加劑制造）令人印象深刻，并意在為塞斯納·德納利（Cessna Denali）單引擎飛機提供動(dòng)力。

與傳統方法相比，增材制造具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢，特別是在生產(chǎn)速度和重量輕（降低5％）。 Abrusci指出以下是最受歡迎的PDF技術(shù)：
.EOS的選擇性激光燒結（SLS）或直接金屬激光燒結（DMLS）
.雷尼紹的選擇性激光熔化（SLM）
.ARCAM的電子束熔化（EBM）

總體而言，增材制造為工業(yè)用戶(hù)帶來(lái)了巨大的好處，因為與傳統的組裝設計（DFA）和制造設計（DFM）技術(shù)相比，他們可以享受更輕松，更實(shí)惠的生產(chǎn)。 AM還可以直接制造復雜零件，甚至包括裝甲，曲柄滑塊機構，齒輪，鉸鏈，接頭等等。減少了材料浪費，可以用更少的零件制造零件，從而使組裝更容易。

增材制造設計（DFAM）包括以下內容：

.規格分析
.初始形狀
.定義一組參數
.參數優(yōu)化
.形狀驗證
“假設通過(guò)單個(gè)增材制造過(guò)程制造零件，則設計過(guò)程首先要定義一組功能性表面，其功能是幫助將零件組裝到其他零件上，傳遞機械或熱負荷或確保液體或氣密性，以防止零件與其他零件碰撞以及允許流體循環(huán)。” Abrusci說(shuō)。 “此外，零件的材料必須符合制造過(guò)程以及行為要求。”在選擇材料時(shí)，由于零件具有較高的機械性能，因此可能會(huì )使用更輕的組件。 Abrusci指出，通過(guò)AM工藝，可以使用更好的材料，例如鈷鉻合金，Ti6Al4V和Inconel。在優(yōu)化過(guò)程中，用戶(hù)傾向于非常關(guān)注重量，而重量是材料的主要組成部分。

在用于增材制造的水上設計中，工業(yè)用戶(hù)還必須考慮：
.優(yōu)化方法選擇
.優(yōu)化響應定義
.優(yōu)化目標和約束功能定義

使用創(chuàng )新的輕質(zhì)材料的能力使增材制造工藝對航空航天業(yè)具有吸引力，并且更易于用于渦輪葉片之類(lèi)的組件-具有簡(jiǎn)化的幾何形狀和最終的拓撲優(yōu)化。這項研究的特色是Avio Aero（GE航空業(yè)務(wù)部門(mén)），因為他們試圖利用優(yōu)化的拓撲。本論文的研究案例是安裝在航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機上的低壓渦輪轉子葉片?；窘Y構由風(fēng)扇，壓縮機，燃燒室，高/低壓渦輪機和噴嘴組成。轉子葉片由護罩，葉片主體，軸和燕尾組成。該模型的驗證包括：
.設計空間和非設計空間的定義
.網(wǎng)格，載荷和約束的應用
.基本模型的靜態(tài)分析，與基線(xiàn)的比較
.拓撲優(yōu)化包括設置功能，響應，參數等，以提高性能。


模型1包含懸挑約束，但是模型2（由于設計空間更加復雜）需要進(jìn)行修改以實(shí)現收斂性?xún)?yōu)化。“靜態(tài)分析結果與拓撲優(yōu)化結果完全匹配；因此，所開(kāi)發(fā)的方法論得到了驗證。……需要采取進(jìn)一步的步驟來(lái)開(kāi)展有效的業(yè)務(wù)案例可行性研究，首先需要進(jìn)行初步的CAD重建，以驗證最終設計，還需要進(jìn)行LCF和HCF分析；如果存在較高的殘余應力或其他不良影響，設計人員應進(jìn)行其他結構優(yōu)化，并在最后一步進(jìn)行完整的過(guò)程仿真。”

點(diǎn)評：幾十年來(lái)，航空航天業(yè)一直在接受3D打印，但是增材制造的創(chuàng )新在過(guò)去幾年加速了，特別是隨著(zhù)該技術(shù)成為主流，生產(chǎn)了如雷達系統，支架和其他類(lèi)型渦輪等部件。