火箭發(fā)動機輕量化結構的設計與3D打印探索

基于粉末床選區(qū)激光熔化的金屬3D打印技術在制造復雜輕量化結構零件方面，給予了設計師更廣闊的設計空間。利用金屬3D打印技術在實現(xiàn)復雜性結構方面的優(yōu)勢和專有的建模軟件，設計師可以實現(xiàn)出多種的輕量化結構。莫納什大學的科研團隊通過金屬3D打印設備和輕量化結構的設計思路，對火箭發(fā)動機零件進行了再設計和探索，該科研項目的其中一個研究成果是一個火箭發(fā)動機輕量化3D打印零件。

通過EOS M280 打印的火箭發(fā)動機輕量化零件原型

實現(xiàn)輕量化的途徑：增材設計思維+金屬3D打印

莫納什大學在航空航天增材制造領域有著多年的經(jīng)驗積累，其科研團隊和大學技術產(chǎn)業(yè)化的公司Amaero Engineering ，曾與法國宇航企業(yè)賽峰集團合作，開發(fā)了兩臺3D打印的噴氣式發(fā)動機，目前該發(fā)動機已經(jīng)進入到商業(yè)化階段。除了在飛機發(fā)動機增材制造方面的研究，莫納什大學和Amaero Engineering還與Betatype合作，通過Betatype復雜晶格建模軟件平臺Engine-Platform 開發(fā)火箭發(fā)動機輕量化零件。

在這個研究項目的最后一年，莫納什大學的團隊開發(fā)了一系列體現(xiàn)3D打印特點的概念性火箭零件，其中一個零件是火箭壁內的帶有隨形冷卻夾芯結構的輕量化零件。由于結構的設計至關重要，莫納什大學團隊自己開發(fā)了腳本指定零件中的微格結構，通過Engine-Platform軟件中開放的 Arch格式，研究團隊能夠避免因創(chuàng)建網(wǎng)格結構而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。軟件中抽象的算法，大大降低了CAD模型數(shù)據(jù)的復雜度，使得模型數(shù)據(jù)更容易管理。

通過Concept Laser X-Line 打印的火箭發(fā)動機輕量化零件原型

在設計完成之后，莫納什大學通過EOS M 280 金屬3D打印設備和不銹鋼316L材料制造了一批零件的原型，并通過 Concept Laser X-Line 金屬3D打印設備打印一組尺寸較大的零件原型。

實現(xiàn)輕量化主要有兩種途徑，宏觀層面上可以通過采用輕質材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復合材料等材料來達到目的。微觀層面上可以通過采用高強度結構鋼這樣的材料使零件設計得更緊湊和小型化，有助于輕量化。而3D打印通過實現(xiàn)特殊的輕量化結構設計，為實現(xiàn)輕量化提供了新的可行性。

在設計輕量化結構零件時，需要結合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。輕量化結構零件由基本結構、外形結構及超輕結構合成，在這個過程中，體現(xiàn)出設計能力的水平。

在國內外的金屬3D打印企業(yè)中，英國雷尼紹、西安鉑力特等金屬3D打印企業(yè)也針對增材制造輕量化結構進行了大量探索，例如，鉑力特針對中空夾層、薄壁加筋，鏤空點陣，功能集成的一體化這四種典型的輕量化結構進行了探索，通過輕量化結構的設計和金屬3D打印設備為航空航天、汽車等機械輕量化零件的制造提供解決方案。
在設計軟件領域，Altair的solidThinking Inspire 拓撲優(yōu)化軟件在設計輕量化3D打印零部件領域也有大量應用，例如，德國德累斯頓工業(yè)大學的科研團隊通過Inspire軟件，基于金屬3D打印的方式重新設計了轉向柱底座,將必要部件數(shù)量從四個減少為一個,節(jié)省了35%的重量(從500g減少至330g)。

來源：3D科學谷
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