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看3D打印如何助力拓?fù)鋬?yōu)化的柴油發(fā)動機(jī)支架？

康明斯巴西、巴西大學(xué)理工學(xué)院以及加拿大的安大略技術(shù)學(xué)院最近聯(lián)合開發(fā)了通過3D打印制造的柴油發(fā)動機(jī)支架，不僅提高了柴油機(jī)支架的性能，還為風(fēng)扇驅(qū)動皮帶輪提供了錨點(diǎn)。這個零件設(shè)計的突出優(yōu)點(diǎn)是重量最小化、性能改進(jìn)并降低制造成本。

這個項目以“拓?fù)鋬?yōu)化的柴油發(fā)動機(jī)支撐件增材制造技術(shù)”為題目的論文發(fā)布，論文中體現(xiàn)了3D打印在重新定義零件設(shè)計方面的潛力。


瞻前顧后
是必須的

在內(nèi)燃機(jī)中，發(fā)動機(jī)支架是負(fù)責(zé)連接動力總成系統(tǒng)的一個重要部件，不僅連接發(fā)動機(jī)，還連接變速器和附件，并將動力總成連接到車輛底盤上。

所以在優(yōu)化柴油機(jī)支架的過程中，你還需要考慮到如何與相關(guān)的部件連接的問題。基于此，項目團(tuán)隊還需要理解SLM技術(shù)的長處和限制，在設(shè)計階段充分考慮后處理的要求，還需要考慮制造時間和預(yù)算的要求。


拓?fù)鋬?yōu)化過程

首先是獲得發(fā)動機(jī)支架的載荷要求，發(fā)動機(jī)支架的機(jī)械性能與負(fù)荷軸承密切相關(guān)。為了正確地確定所涉及的負(fù)載優(yōu)化問題，項目小組對整車中的該部件進(jìn)行了測試，在特殊的軌道運(yùn)行情況下，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)開始進(jìn)行了加度運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)分布在整個動力總成系統(tǒng)的加速度計監(jiān)測結(jié)果，項目小組獲得了相關(guān)的負(fù)載值。并且還額外考慮到功耗與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的曲線，車輛占空比，在其他環(huán)境下面的輪轂負(fù)載情況等多種因素。

設(shè)計過程需要考慮與滑輪的配合

這些數(shù)據(jù)被輸入氣缸體的有限元模型中，從而形成數(shù)學(xué)優(yōu)化的迭代計算過程。3D 科學(xué)谷了解到本案例中拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)讓設(shè)計師直接專注于要實(shí)現(xiàn)的機(jī)械性能：給定載荷、邊界條件和設(shè)計量，求解器可以找到最有效的結(jié)構(gòu)數(shù)量和材料分布。



滑輪配合緊密


增材制造的極大優(yōu)勢是不僅可以將功能集成到組件的設(shè)計里面去，而且還可以優(yōu)化的重量與性能比。當(dāng)然要達(dá)到最佳的重量與性能比，拓?fù)鋬?yōu)化是一個強(qiáng)大的工具。換句話說就是通過拓?fù)鋬?yōu)化你可以恰如所需地在所需的位置上放置材料。當(dāng)然拓?fù)鋬?yōu)化往往會增加組件的幾何復(fù)雜度，而通過傳統(tǒng)制造工藝會面臨更高的加工成本的問題，甚至是無法通過傳統(tǒng)制造工藝加工出來。而加工成本對產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性不敏感，這正好是增材制造貼合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的地方。


與其他組件配合緊密

當(dāng)然要達(dá)到最佳的設(shè)計優(yōu)化結(jié)果是個“瞻前顧后”的結(jié)果，所有的組件設(shè)計都需要適合于增材制造的需求。不僅僅需要做一個充分的設(shè)計分析，你需要了解如何獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，并通過簡化裝配過程或避免機(jī)加工過程中昂貴的非標(biāo)刀具投資，來降低了制造成本。

有限元網(wǎng)格


拓?fù)鋬?yōu)化的柴油發(fā)動機(jī)支撐件的加工是富有挑戰(zhàn)的，相比傳統(tǒng)的機(jī)加工減材制造方法，項目組發(fā)現(xiàn)SLM選擇性激光融化3D打印技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在四個方面。包括:

- 形狀復(fù)雜度 小批量的生產(chǎn)中SLM更具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，尤其是當(dāng)涉及到定制化和優(yōu)化的幾何槽形結(jié)構(gòu)的時候。

-高分辨率 通過精細(xì)的激光束，逐點(diǎn)逐層融化金屬粉末獲得精細(xì)的內(nèi)部構(gòu)造。

- 層次復(fù)雜度 在具有足夠分辨率的金屬3D打印設(shè)備上，精細(xì)的功能制造意味著復(fù)雜的分層多尺度結(jié)構(gòu)。

- 功能復(fù)雜度 幾何的靈活性使得將原來需要幾個零件組裝而成的部件變?yōu)橐粋€。

總結(jié)下來本案例的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在增材制造過程的“瞻前顧后”：所謂“瞻前”是指需要對實(shí)際的車輛運(yùn)行過程做各種測試，收集該零件所需要達(dá)到的機(jī)械性能，還需要考慮到與其他傳統(tǒng)工藝制造出來的零件的接合程度。所謂“顧后”是指需要考慮后期后處理的加工需求，在設(shè)計初期就將余量預(yù)留出來，不僅如此，并且還需要考慮需要后處理的部位是否適合后處理的傳統(tǒng)加工工藝來完成。 
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