3D打印如何助力拓扑优化的柴油发动机支架？
发布时间：
2023-01-11 12:47
康明斯巴西、巴西大学理工学院以及加拿大的安大略技术学院最近联合开发了通过3D打印制造的柴油发动机支架，不仅提高了柴油机支架的性能，还为风扇驱动皮带轮提供了锚点。这个零件设计的突出优点是重量最小化、性能改进并降低制造成本。
这个项目以“拓扑优化的柴油发动机支撑件增材制造技术”为题目的论文发布，论文中体现了3D打印在重新定义零件设计方面的潜力。本期，3D科学谷与谷友一起来了解下有关这个支架的大学问。
图片来源：am
在内燃机中，发动机支架是负责连接动力总成系统的一个重要部件，不仅连接发动机，还连接变速器和附件，并将动力总成连接到车辆底盘上。
所以在优化柴油机支架的过程中，你还需要考虑到如何与相关的部件连接的问题。基于此，项目团队还需要理解SLM技术的长处和限制，在设计阶段充分考虑后处理的要求，还需要考虑制造时间和预算的要求。
拓扑优化过程，图片来源：am
首先是获得发动机支架的载荷要求，发动机支架的机械性能与负荷轴承密切相关。为了正确地确定所涉及的负载优化问题，项目小组对整车中的该部件进行了测试，在特殊的轨道运行情况下，发动机系统开始进行了加度运转，根据分布在整个动力总成系统的加速度计监测结果，项目小组获得了相关的负载值。并且还额外考虑到功耗与发动机转速的曲线，车辆占空比，在其他环境下面的轮毂负载情况等多种因素。
设计过程需要考虑与滑轮的配合，图片来源：am
这些数据被输入气缸体的有限元模型中，从而形成数学优化的迭代计算过程。3D科学谷了解到本案例中拓扑优化技术让设计师直接专注于要实现的机械性能：给定载荷、边界条件和设计量，求解器可以找到理想的结构数量和材料分布。
滑轮配合紧密，图片来源：am
增材制造的极大优势是不仅可以将功能集成到组件的设计里面去，而且还可以优化的重量与性能比。当然要达到理想的重量与性能比，拓扑优化是一个强大的工具。换句话说就是通过拓扑优化你可以恰如所需地在所需的位置上放置材料。当然拓扑优化往往会增加组件的几何复杂度，而通过传统制造工艺会面临更高的加工成本的问题，甚至是无法通过传统制造工艺加工出来。而加工成本对产品设计的复杂性不敏感，这正好是增材制造贴合拓扑优化设计的地方。
当然要达到理想的设计优化结果是个“瞻前顾后”的结果，所有的组件设计都需要适合于增材制造的需求。不仅仅需要做一个充分的设计分析，你需要了解如何获得最佳经济效益，并通过简化装配过程或避免机加工过程中昂贵的非标刀具投资，来降低了制造成本。
有限元网格，图片来源：am
拓扑优化的柴油发动机支撑件的加工是富有挑战的，相比传统的机加工减材制造方法，项目组发现SLM选择性激光融化3D打印技术的优势体现在四个方面。包括:
- 形状复杂度 小批量的生产中SLM更具备经济优势，尤其是当涉及到定制化和优化的几何槽形结构的时候。
-高分辨率 通过精细的激光束，逐点逐层融化金属粉末获得精细的内部构造。
- 层次复杂度 在具有足够分辨率的金属3D打印设备上，精细的功能制造意味着复杂的分层多尺度结构。
- 功能复杂度 几何的灵活性使得将原来需要几个零件组装而成的部件变为一个。
3D科学谷总结下来本案例的挑战体现在增材制造过程的“瞻前顾后”：所谓“瞻前”是指需要对实际的车辆运行过程做各种测试，收集该零件所需要达到的机械性能，还需要考虑到与其他传统工艺制造出来的零件的接合程度。所谓“顾后”是指需要考虑后期后处理的加工需求，在设计初期就将余量预留出来，不仅如此，并且还需要考虑需要后处理的部位是否适合后处理的传统加工工艺来完成。（来源：3D科学谷）
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