摘要
从零件结构设计中的拓扑优化、介观结构、零件整合、流体管道及热交换器设计方面和工艺设计中层内轨迹、建造方向、多轴建造及曲面分层设计方面系统地论述了国内外面向增材制造的零件设计的研究进展,并在此基础上提出了AM零件一体化设计、多尺度下异构胞状结构设计、面向零件性能的工艺设计以及连续碳纤维增强复合材料工艺设计四个未来发展趋势。
与减材制造从已有的坯料切削出特定的几何形状有着本质不同,增材制造(additive manufacturing, AM)是通过材料层层堆积的方式完成零件“自下而上”、“从无到有”的制造过程,是一种更符合自然生长规律的制造方法。AM将复杂的三维问题简化为易于处理的二维问题,从而可以制造出高度复杂的零件,其中零件的复杂性主要体现在四个方
AM带来的不仅仅是制造技术的革命,更重要的是零件设计方法的革命。AM技术优势极大地拓展了传统的产品设计空间,提高了产品的“设计自由度”,使得零件设计不再局限于面向制造、面向装配等基于减材制造的传统设计方法,可以真正进行面向产品功能或性能需求的设
满足零件功能需求的前提下设计轻量化、整体化、低成本的高性能结构是零件设计的中心任务。由自然法则进化的生物结构如蜂窝、竹子、骨骼等被认为是自然界优质结构的典型代
拓扑优化(topology optimization, TO)与AM的完美结合,可以在零件材料的设计空间中找到最佳材料分布方案,从而提高材料利用率达到减轻重量的目
拓扑优化使能的轻量化设计在航空、航天和汽车工业中的应用尤其重
图1 拓扑优化的应用案例
Fig.1 Application cases of topology optimization
介观结构是指由特征尺寸在0.1-10mm 之间的单元胞按特定方式排列组成的结构,不仅具有高的强度质量比或刚度质量比,同时还具有能量吸收、散热、隔音等性
胞状结构根据其单元胞的排布形式可分为均匀同构、均匀异构、非均匀同构以及非均匀异构四种,每一种结构的特性取决于结构中单元胞的拓扑、几何、方位、尺寸等设计变量,通过控制这些变量使得胞状结构在空间满足零件局部或整体的刚度或强度等性能要求。目前大多数研究主要集中在呈周期性排列的前三种胞状结构,如应用均质化理论进行均匀同构胞状结构分析与设计,基于梯度功能结构设计非均匀同构胞状结构等,但设计中通常只关注单元胞诸多设计变量的一个或两个,不能进行全变量设计优化。对于特定零件来说,其承受的载荷往往并不是均匀的分布在其内部,因此均匀分布的同构格状结构并不科学。对于非均匀异构这种大自然广泛存在的自适应胞状结构由于其几何高度复杂性目前的研究还很不充分,缺乏系统的设计理论和方法。Chu
由于胞状结构尤其是非均匀异构胞状结构的高度复杂性,只能用AM方法来制造,因此设计的胞状结构必须能够制造,否则就会成为空中楼阁。在研究胞状结构机械性能的同时,需对其可制造性进行深入研究,如单元胞的类型、尺寸、方位和相对密度(体积分数)等对可制造性的影响,努力使胞状结构的设计能够自支撑或免支撑以提高其制造的效率与质量。同时,由于AM逐层材料累积的特点导致的材料性能的几何和工艺依赖性,需要研究处理各向异性材料特性以及诸如最小特征尺寸、建造方位等设计约束。如何构建设计理论与方法,将AM特性和可制造性约束耦合进胞状结构的设计优化具有一定挑战性。
用介观格状结构(lattice structure, LS)代替零件实体结构在轻量化的同时还可以改善其相关性能,在航空、航天、国防等对重量敏感的领域具有非常重要的意义。例如,将介观格状结构应用于微型飞行器机身的设计实现减重33%,极大提高了飞行器续航能
图2 介观结构设计的应用案例
Fig.2 Application cases of mesoscopic structure
AM技术可以实现复杂部件的一体化制造,这为零部件设计带来了优化的空间,设计人员可以尝试将原本通过多个组件装配的复杂部件,进行一体化整合设计。与传统的制造与装配设计方法相比,AM使能的零件整合为实现零件数量的减少和装配的简便性提供了一种更为有效的方
在航空制造领域,一体化结构在带来零件数量减少、零件减重的优势的同时,为飞机零部件的性能提升开辟了新的空间。飞机零部件的一体化整合设计需要以AM技术为主导的主动设计思维方式,即在设计之初,以考虑零部件的功能性为主,而不用花费精力去考虑结构装配的问题,跳出原有的设计思维,会带来完全不同的创新零部件。零件整合设计的经典案例是GE公司制造的集成复杂的几何外形和内部复杂腔体的燃油喷嘴,使原本20个组件整合设计成一个零件(
图3 零件整合设计的应用案例
Fig.3 Application cases of parts integration
AM相对于传统采用的焊接方式制造管道具有明显优势,不仅可以克服传统管道的可制造性设计限制,而且还可以改善壁厚不均匀,尖角等问题,在管道类的零部件整合应用广泛。如飞机上的一个导管整合设计,将原来由16个部件组成的飞机导管(
AM工艺技术优势可以制造具有复杂的内部特征的零件以改善零件性能,如在液压阀和随形冷却模具方面的应用。使用传统的加工方法制造液压阀,除了加工工序复杂、成本高之外,钻孔会产生管道内无法去除的毛刺,流体在高压下流经孔道交汇区域时会造成能量损失,导致流体效率低下等一系列问题。而基于AM设计制造的液压阀不仅可以大大减少材料成本,更重要的是,AM设计提供了巨大的管路设计自由度,可以消除管道死角或尖锐的角落,减少管路堵塞风险,改善传统制造的液压块内部存在的泄漏、效率损失等问题。Aidro hydraulics 公司采用3D打印制造出了液压阀(
图4 流体管道设计的应用案例
Fig.4 Application cases of fluid pipeline design
传统方式制造的冷却水道只能是直线,且必须绕过零部件的最外层,以避免对模具型腔产生干扰,这就导致了冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题,因此,经常会在冷却过程的一开始就导致零部件上出现明显的温度变
AM对产品的重塑,不仅包括外观,更重要的是对性能的提升。AM工艺可以制造具有薄壁、复杂曲面特征的零部件,这种技术特点应用在热交换器的制造具有明显优势。传统的热交换通常由焊接在一起的薄片材料制成,焊接工艺不仅增加了部件的整体重量,而且一个复杂的热交换器是由许多小而复杂的部件组成的钎焊组件,使用传统的方法制造成本很高,同时在制造过程中有可能带来制造缺陷。传统制造技术在制造紧凑而复杂的热交换器产品方面的能力十分有限,而AM技术为热交换器产品重塑带来了新的可能性。
热交换器的发展趋向于紧凑、轻便和高效,以适应航空、航天、芯片制造领域的尺寸限制和重量限制。这些热交换器用于燃料空气后冷却器,空调散热器,电子冷却,和发动机机油冷却器,每个热交换器的设计、材料选择和几何形状因使用的工作条件和工作流体的不同而不
图5 热交换器设计的应用案例
Fig.5 Application cases of heat exchanger design
一种无翅片形管组的空气热交换器(
AM工艺过程可看作材料按照“点→线→面→体”在三维空间的生长,材料的堆积生长过程对最终的机械性能有重要影响。传统3轴AM系统只有一个建造方向,材料建造方向一旦确定,零件的制造过程就变为一系列2.5维平面层的线性叠加,导致了AM零件的各向异性,使零件的机械性能下降,这种现象在挤出式增材制造(Extrusion-based Additive Manufacturing,EAM)中尤为显
多轴挤出式增材制造(Multi-Axis Extrusion-based Additive Manufacturing,MAEAM)突破了原有3轴EAM的限制,不再局限于单一的建造方向,材料可以多方向生长。零件层理(层的形态)与纹理(层内轨迹)的组合反映了零件材料的内部结构,可看作是对其所承受载荷的一种智能响应,这样即使相同几何零件的工况不同,其工艺设计也应不同,宏观上表现出的机械性能也就不同。MAEAM激发了三维空间内零件材料生长的灵活性与可控性,提供了使材料生长更为仿生、更加符合零件应力特征新的可能性。本节以EAM工艺为研究对象,从层内轨迹规划、建造方向选择、分区域多方向建造以及曲面分层设计四个方面的研究进展进行探讨。
零件层内各向异性体现在丝材之间熔接线处的受力薄弱环节,层内轨迹的位置与走向直接影响零件的机械性能,不同的轨迹样式带来不同的性能表现。传统的轨迹生成主要基于零件的几何信息,大多采用均匀同构样式,并未考虑零件实际工况下的载荷信息。Gardan
建造方向影响零件的机械性能,同时也关系到零件的支撑结构、表面粗糙度以及建造效率等。现有研究表明,EAM 零件的强度及延展性等性能很大程度上取决于所施加载荷的方向,垂直于建造平面的单向拉伸试样其强度和平行于建造平面的试样相差50%左
为克服传统3轴EAM只能沿固定的一个方向打印的缺陷,近年来机器人使能的零件分区域、多方向建造逐渐成为研究热点。Yerazunis
零件曲面分层制造是近年来提出的一种用于含有曲面特征、壳体类零件或改善平面层打印的零件表面质量的EAM新策略。一方面对于EAM零件具有小尺寸且关键的表面特征的情况,采用传统平面层的自适应切片产生的阶梯效应会降低零件的表面质量,而且必须使用大量的薄片来保存表面的关键特征,而曲面分层较少的薄片就可以精准的保证表面特征且表面质量明显优于仅具有平面层的零件。另一方面,对于像拉伸试样载荷简单的零件来说可以通过规划零件建造方向,使打印路径沿应力轨迹线,但实际工况下零件受力较为复杂,很难通过改变建造方向来避免载荷穿越打印路径或层间。为了适应这些更复杂的载荷条件,沉积层的形态以及沉积策略都需要更高的灵活性。Guan
在总结分析DFAM的结构设计和工艺设计研究进展的基础上,对未来研究发展趋势进行探讨。
AM零件设计与制造一体化。AM技术相比传统制造技术在复杂零件制造上具有巨大优势,然而现有AM零件设计中大部分没有充分考虑AM制造技术特性及工艺约束,导致零件的设计与制造不兼容,设计解不等于制造解。因此,AM设计与制造应充分融合,在零件设计时就充分考虑AM的制造技术特性,以充分发挥其优势提高零件性能。同时,充分考虑AM的特性和约束,实现从AM零件设计与制造的割裂分离到设计与制造的深度融合一体化设计。
AM零件结构和材料一体化。得益于AM工艺特性和制造的多尺度特性,AM零件材料与结构的边界趋于模糊,零件制造过程中材料和结构同时生成,即宏观上的零件结构由材料构成,介观和微观下的材料包含胞状或格状等结构,这是AM零件的显著特征。因此,如何进行AM零件结构和材料多尺度协同优化将是一个重要研究课题。
目前胞状结构的研究大部分集中在均匀周期性胞状结构的设计,以均匀、同构的胞状结构替代实体结构虽然可以减轻零件重量,但由于此类结构与零件的应力场并不协调,所以并不是最优质的轻量化结构。此外,结构设计中往往只关注于单元胞诸如拓扑、几何、方位、尺寸等设计变量的一个或两个上,没有进行全变量、全自由度的优化设计,未能综合考虑设计变量对结构最终性能的影响。
因此,通过设计单元胞属性(拓扑、几何、方位、尺寸等)与载荷(大小、方向、性质)的自适应映射,实现从均匀同构胞状结构到与载荷协调的非均匀异构胞状结构设计的转变,进一步提高结构效率,实现零件超轻量化设计。策略上可采用“分而治之”的思想,将高度复杂的多尺度下设计优化问题分解为宏观层面上的拓扑优化、介观层面的胞状结构优化以及单元胞层面上的支杆尺寸优化等多层级优化问题。这种逐级优化过程类似于机械加工中不断去除多余材料的“粗加工-半精加工-精加工”工艺,在保持“健壮体格”前提下的不断“瘦身”,技术路线如
图6 多尺度下异构胞状结构设计技术路线
Fig.6 Research outline of multi-scale heterogeneous cellular design
目前关乎零件性能的工艺设计并没有引起太多关注,传统AM工艺设计目标是材料以最高效的方式填充整个设计空间,最大程度上匹配“原型几何要求”,而“零件性能要求”需要材料的分布和走向与零件实际工况下所需性能相协调填充设计空间。由于影响AM零件性能的根本原因是工艺过程带来的零件的性能各向异性与零件实际工况下性能需求不匹配。因此,如何通过工艺设计引导和控制各向异性实现“几何”和“性能”的双控是提升零件性能的关键。
以面向零件机械性能的AM工艺设计为例,艺设计总体目标是将工艺过程中“线→面”、“面→体”、“体→零件”的三个阶段与零件的应力信息保持最大程度上响应。因此,可根据零件应力信息生成主应力轨迹线,进而设计AM过程中材料在零件内的分布和走向以控制各向异性,使得零件材料最终形成的复杂结构是对其所承受应力自下而上多层级智能响应的结果。进一步,通过探索基于零件应力来进行工艺设计,可建立零件“工艺-结构-性能”(Process-meso Structure-Property, PSP)关系模型,从而提高零件的机械性能和结构效能,实现AM零件从“几何”到“性能”的智能化定制,技术路线如
图7 面向零件性能的AM工艺设计技术路线
Fig.7 Research outline of Performance-oriented process planning
与传统的复合材料制备技术(如压热罐成型技术、传递塑模成型技术及缠绕成型技术等)相比,基于EAM的连续纤维增强复合材料工艺的主要优势在于成本低、周期短,能实现复合材料复杂结构零件的快速制造。以连续纤维增强热塑性聚合物高性能复合材料零件制造为目标,采用连续纤维和热塑性聚合物为原料,利用复合浸渍-熔融沉积的EAM工艺实现零件复合材料和复杂结构的一体化成形的AM技术。实现具有挤出材料的高度灵活性(挤出纯聚合物或纤维增强复合材料)和可控性(可选择性定向增强,各向异性可控)的连续纤维的布置。此外,由于碳纤维具有较好的导电性能,而热塑性基体材料具有良好的电绝缘性能,因为可以通过合理排布碳纤维在零件内部的走向,设计具有良好电磁屏蔽功能的复合材料零部件,对于航空航天关键零部件的制造具有重要意义。
AM带来的不仅仅是制造技术的革命,更重要的是零件设计方法的革命,设计者只有打破传统的设计思维,才能最大限度地挖掘和发挥AM技术潜力和优势。从结构设计和工艺设计两个方面较为系统地论述了面向AM的零件设计,在此基础上提出了自适应异构胞状结构设计和基于主应力轨迹线的工艺设计两个未来发展趋势。一方面结构设计研究将完善DFAM介观尺度设计理论与方法,实现零件宏观、介观及微纳观多个尺度的协同优化设计。另一方面工艺设计研究旨在构建可设计、可控制各向异性的完整工艺设计链条,实现与零件载荷相适应的材料结构化性能定制,为提高零件机械性能提供新的理论与方法支持。
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