Frustum公司的技術(shù)和3D Systems公司的直接金屬打印技術(shù)不僅同時滿足了零件的功能需求，還將航空支架的重量減少了70%。

自工業(yè)革命以來，零件設(shè)計由于制造的局限而無法自由實施這個難題就已存在。傳統(tǒng)的制造技術(shù)限制了以最經(jīng)濟有限的方式來制作復雜結(jié)構(gòu)或有機形狀的零件。由于這樣的局限性，往往導致零件的功能和性能不得不進行折衷處理。如今3D打印，特別是直接金屬打印（DMP）已經(jīng)成為一個制造生產(chǎn)方面的替代選擇。傳統(tǒng)制造方面的局限性很大程度上已經(jīng)被消除。對此，多學科設(shè)計優(yōu)化軟件工具正在崛起，其致力于提供一個聚焦點：拓撲優(yōu)化軟件已有能力生成最有效的設(shè)計，可用于最新的DMP打印機，一次性即可制造出零件，所想即所得。

這些技術(shù)的集合最近在軟件公司Frustum和3DSystems公司的按需部件定制服務(wù)Quickparts業(yè)務(wù)上有所論證。這個項目是由GE航空發(fā)出的一個公開挑戰(zhàn)，GE航空需要制作出的零件能在滿足一個航空器支架的所有功能需求的同時，還能減少航空器支架的重量。當發(fā)動機在運行時，這個支架用于支撐引擎罩的重量。

重量至關(guān)重要

自從可在陸地、天空、海洋中機動化地行進，工程師們便開始努力平衡重量和強度之間的關(guān)系。如今，全球更大型制造企業(yè)的競爭激烈、社會需要更嚴格的節(jié)能措施和不斷升級的成本和交貨時間帶來壓力，這樣的平衡協(xié)調(diào)在近些年變得愈發(fā)重要。

對于現(xiàn)代航空器，重量更具有關(guān)鍵性。波音737約重65公噸，哪怕只減重1磅（約0.45千克），每年也能為航空公司節(jié)省幾十萬美元。據(jù)GE航空白皮書所述，將此數(shù)字延伸到全球所有航空器和其節(jié)省的資金，將超過一千萬美元。

優(yōu)化設(shè)計

如何應(yīng)對GE航空的這個挑戰(zhàn)，Frustum公司用于拓撲優(yōu)化的軟件將在如何保持重量和強度平衡這個重要問題上邁出第一步。

拓撲優(yōu)化可決定最有效的材料布局以此來滿足零件的精確性要求。允許給定的空間、零件負載條件和材料能承受的最大應(yīng)力都需要被列入考慮范圍。

Frustum公司的軟件可從現(xiàn)有的CAD文件自動生成優(yōu)化結(jié)構(gòu)。可以在具有最佳剛性的設(shè)計特征和輕型結(jié)構(gòu)兩者之間創(chuàng)建出合適的材料。平滑和融合曲面能減少重量并最小化應(yīng)力集中。

“基于現(xiàn)存的傳統(tǒng)零件設(shè)計，我們的軟件能自動制作出適用于增材制造的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，無需任何重塑?！?span>Frustum公司的CEO 杰西?布蘭肯希普如是說到。

不像傳統(tǒng)CNC或鑄造制作出來的零件，這個由拓撲優(yōu)化生成的復雜零件不用考慮很多其他問題。因為DMP可以同打印很簡單的樣件一樣打印極其復雜的模型，而且無需耗費任何額外代價。

3D打印專家支持

一旦初始設(shè)計生成了，3D Systems的專家們就會實施打印。3DSystems的按需定制零部件制造Quickparts業(yè)務(wù)是全球領(lǐng)先的獨特零件和定制設(shè)計零件的供應(yīng)商，可即時提供線上報價，同時還有3D設(shè)計和打印專家和成熟的制造服務(wù)進行支持。Quickparts這個提供全球服務(wù)的業(yè)務(wù)特別精通于直接金屬打印方面的復雜零件。

3DS Quickparts業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理提到，“直接金屬打印比噴射打印更復雜，我們幫助客戶開發(fā)適合金屬打印的零件，基于長期為客戶打印零部件的經(jīng)驗，我們通過優(yōu)化的參數(shù)來打印零件。

制造更佳的零件

在GE航空器支架這個案例中，Frustum的軟件使用原始的CAD文件，并一步執(zhí)行拓撲優(yōu)化來傳送STL文件。

3DSystems可提供關(guān)于流程、材料規(guī)格、最佳零件屬性這些方面的構(gòu)建方向、可達到的公差和確定零件變形的潛在風險上的制造建議。GE需要的這個零件是通過3D Systems的ProX? DMP 320打印機制作出來的。

預置參數(shù)，以將近50萬次的創(chuàng)建結(jié)果、幾乎可為任何結(jié)構(gòu)提供可預測和可重復的打印質(zhì)量為基礎(chǔ)，3DSystems進行專業(yè)上的研發(fā)。

一個全新的結(jié)構(gòu)幫助簡化了設(shè)置并可以制作出各種類型材質(zhì)為鈦,不銹鋼或鎳超合金的零件結(jié)構(gòu)。鈦金屬被選為GE航空用來做支架的材料，因為鈦金屬有較強的強度，即使當材料需要較薄的被應(yīng)用于減少一個零件的重量。

GE的初始設(shè)計

在GE航空提出的這個挑戰(zhàn)中，發(fā)動機支架的原始設(shè)計被使用。重新設(shè)計的支架需要在減少零件總重的情況下同時滿足體積和負載的要求。

Cloudmesh優(yōu)化

這個拓撲優(yōu)化零件設(shè)計由Frustum公司的軟件生成。

最終的DMP零件

GE航空發(fā)動機支架由Frustum公司重新設(shè)計，3D Systems公司Quickparts業(yè)務(wù)旗下的ProX DMP 320打印機進行制造。這個新的零件通過了GE規(guī)定的所有負載條件，令人難以置信的減少70%重量的同時又完全匹配發(fā)動機。

ProXDMP 320打印機可交換的制造模塊可以在更換不同材料的時候減少停機時間，可控的真空成型艙能確保每個零件的打印是使用已經(jīng)經(jīng)過材料特性、密度和化學純度驗證的材料。小部分沒有被使用的材料可以完全被回收，這樣能節(jié)省費用又非常環(huán)保。

大開眼界

這個由Frustum公司設(shè)計，由3DSystems通過金屬打印制作出來的完整零件通過了GE規(guī)定的所有負載條件，難以置信的減少70%重量的同時完全匹配發(fā)動機。

“這類項目對于汽車和航天航空類的公司來說是一次真正的大開眼界，讓零件在提供相同功能或更佳的功能的同時又能減少重量，這是這類公司設(shè)計、工程和制造業(yè)務(wù)方面的根本?！笨颇蛩谷缡钦f到。

除了設(shè)計和零件性能本身，科涅厄斯也指出拓撲優(yōu)化和DMP聯(lián)手可以將多部件裝配整合為一個堅固的單一部件，這樣能消除由緊固件和連接器造成的一些故障。

總之，這是讓各個行業(yè)夢寐以求的速度優(yōu)勢。3D Systems可以在僅僅2周時間內(nèi)就制作出所需的堅硬材料制作的生產(chǎn)級零部件，比如不銹鋼、鈦和鎳合金材料，這可以滿足無數(shù)行業(yè)不斷加快的步伐。

科涅厄斯說，“當設(shè)計和制造強強聯(lián)手，更好、更快更經(jīng)濟地打印零件就不再是一件難事?！?/span>