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多維度迭代,針對成本和功能優化的通風管道案例

2020-01-18 9:12:26 點擊︰

    大多數熟悉增材制造(AM)的人們都知道,簡單地將用于其他制造方法生產的零件通過3D打印來制造幾乎沒有意義。增材制造的真正優勢在于,用來制造傳統制造技術難以實現的設計。大多數公司尚不具備能夠面向增材制造的設計能力,從而充分利用3D打印技術潛力的方式來實現面向功能實現的優化設計。目前這種深層次的正向設計能力不僅在國內,在世界範圍內也是缺乏的。這種深層次的正向設計能力要求從根本上的範式轉變,從人類設計者為主導的世界轉變為計算機算法影響主要設計決策的世界。因此,設計和工程領域正在經歷從“計算機輔助設計”向“計算機創成設計”的轉變。增材制造-3D打印是催化這種設計範式轉變發生的技術。


當今的設計和建模軟件使用戶能夠針對成本和功能兩個維度來優化增材制造-3D打印零件。圖片來源︰additivemanufacturing

成本與功能的兩大維度

         過去幾年中,關于增材制造如何實現結構一體化的產品這樣的技術話題已有很多討論。這意味著增材制造使得公司能夠制造那些傳統技術難以實現的幾何形狀。從理論上講,這為設計師和工程師創造了以前無法企及的設計的巨大機會。然而,這在實踐中常常被證明是困難的,這使得增材制造的采用比很多人所預期的要慢得多。


增材制造-3D打印的零件與傳統制造的零件比較

       隨著更多的企業了解增材制造的可能性,對可以優化產品幾何形狀並打印以前無法實現的設計的軟件系統的需求正在增長。優化的幾何形狀減少了材料浪費,因為所分布的材料量僅是零件功能要求所需要的。優化的幾何形狀還可以通過減少零件的重量或優化其功能來提高零件最終使用的效率。通過單個的結構一體化3D打印零件替換原來的多個組件,一個典型的案例是通過用優化的增材制造零件替換3D打印機的組件,惠普降低了30%以上的成本,並縮短了交貨時間。這個結構一體化零件是將冷卻空氣引入打印頭的管道。惠普意識到,如果導管是注模成型的,那麼它將需要多達六個單獨的零件以及必要的組裝步驟來生產。但是,如果使用3D打印技術打印風管,則可以將風管作為單個零件制造,從而節省多達34%的初始成本,並縮短了交貨時間。


將多個零件通過3D打印實現結構一體化制造,帶來了成本的節約

     不過這個案例並不是那麼輕松的實現的,最初的時候惠普不知道的是,盡管他們的整合風道設計比傳統制造的設計便宜,但效率卻不如預期。由于Multi-Jet Fusion 3D打印機中的打印頭在打印過程中會暴露在高溫下。熱量會對打印頭的使用壽命產生不利影響,因此熱量管理成為HP Multi Jet Fusion打印機設計的重要方面。HP為他們的300/500系列打印機設計的風管部件是系統中專門用于機器內部此類熱管理的部分。該系統通過風扇和一系列管道將新鮮的冷卻空氣從打印托架的外部輸送到打印頭的位置。盡管該系統通過減少零件的成本進行了優化,但其優化程度還不到一個層次。通過與西門子合作,惠普了解到冷卻系統仍有改進的潛力。如前所述,HP打印機的內部管道已經在HP的初始設計中進行了成本優化。根據3D科學谷的市場觀察,通過使用Siemens的STAR-CCM +和NX軟件,該團隊不僅能夠優化管道,而且還能優化管道性能。


優化管道性能

     利用基于Star-CCM +的計算流體動力學(CFD)模擬的一種拓撲優化,該團隊能夠實現一種截然不同的風管設計,與傳統設計相比,其風道性能預計可提高22%。此過程的另一個積極成果是減少了設計零件所需的時間。原來的零件通過傳統的CAD建模技術進行了四個月的設計。但是,STAR CCM +的仿真驅動設計過程以及使用NX進行幾何優化的結果是,最終設計時間僅為4周。


優化後的管道(右)

       新的設計包含了人類難以手工實現的幾何形狀,該幾何形狀專門針對惠普管道系統進行了優化。設計過程是基于對高壓通風管系統中氣流的模擬,從而獲得高度自動化的定制化優化解決方案。這使得對應著不同的冷卻要求,所獲得的管道部件的幾何形狀完全不同。概括起來上述的努力即為新的風管部件在兩個維度進行了優化︰將多個零件組合為單個零件是第一個優化。第二個維度是將幾何形狀進一步優化,旨在優化系統性能。在惠普的管道案例中,這種雙維度的優化是通過NX和Star-CCM +現代設計和仿真軟件實現的。

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