航空航天增材制造：3D打印優(yōu)化的低壓渦輪葉片

魔猴君  行業(yè)資訊   1839天前

據(jù)魔猴網(wǎng)了解，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(jī)提供動(dòng)力。

與傳統(tǒng)方法相比，增材制造具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)，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(jié)（SLS）或直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）

.雷尼紹的選擇性激光熔化（SLM）

.ARCAM的電子束熔化（EBM）

AM技術(shù)對(duì)全球行業(yè)的影響   

總體而言，增材制造為工業(yè)用戶帶來(lái)了巨大的好處，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的組裝設(shè)計(jì)（DFA）和制造設(shè)計(jì)（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(fù)雜零件，甚至包括裝甲，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，齒輪，鉸鏈，接頭等等。減少了材料浪費(fèi)，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(shè)計(jì)（DFAM）包括以下內(nèi)容：

.規(guī)格分析

.初始形狀

.定義一組參數(shù)

.參數(shù)優(yōu)化

.形狀驗(yàn)證

“假設(shè)通過(guò)單個(gè)增材制造過(guò)程制造零件，則設(shè)計(jì)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(jī)械或熱負(fù)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(jī)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(shè)計(jì)中，工業(yè)用戶還必須考慮：

.優(yōu)化方法選擇

.優(yōu)化響應(yīng)定義

.優(yōu)化目標(biāo)和約束功能定義

AM技術(shù)的成本與零件復(fù)雜度

使用創(chuàng)新的輕質(zhì)材料的能力使增材制造工藝對(duì)航空航天業(yè)具有吸引力，并且更易于用于渦輪葉片之類的組件-具有簡(jiǎn)化的幾何形狀和最終的拓?fù)鋬?yōu)化。這項(xiàng)研究的特色是Avio Aero（GE航空業(yè)務(wù)部門(mén)），因?yàn)樗麄冊(cè)噲D利用優(yōu)化的拓?fù)?。本論文的研究案例是安裝在航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片?；窘Y(jié)構(gòu)由風(fēng)扇，壓縮機(jī)，燃燒室，高/低壓渦輪機(jī)和噴嘴組成。轉(zhuǎn)子葉片由護(hù)罩，葉片主體，軸和燕尾組成。該模型的驗(yàn)證包括：

.設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間的定義

.網(wǎng)格，載荷和約束的應(yīng)用

.基本模型的靜態(tài)分析，與基線的比較

.拓?fù)鋬?yōu)化包括設(shè)置功能，響應(yīng)，參數(shù)等，以提高性能。

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

模型1包含懸挑約束，但是模型2（由于設(shè)計(jì)空間更加復(fù)雜）需要進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)收斂性優(yōu)化。“靜態(tài)分析結(jié)果與拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果完全匹配；因此，所開(kāi)發(fā)的方法論得到了驗(yàn)證?！枰扇∵M(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(yàn)證最終設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行LCF和HCF分析；如果存在較高的殘余應(yīng)力或其他不良影響，設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在最后一步進(jìn)行完整的過(guò)程仿真?！?/span>

模型2的平滑處理沒(méi)有懸垂約束

魔猴網(wǎng)點(diǎn)評(píng)：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，特別是隨著該技術(shù)成為主流，生產(chǎn)了如雷達(dá)系統(tǒng)，支架和其他類型渦輪等部件。

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來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)