柴油發動機支架如何做到成本節約和性能優化？
OFweek3D列印網訊 鐳射增材製造專家Stéphanie Giet將為我們介紹柴油發動機支架的設計案例。面向增材製造的重新設計，在減輕重量、優化性能和降低生產成本方面發揮了重要作用。近日，一群來自康明斯巴西公司、巴西聖保羅大學理工學院、加拿大奧什瓦安大略大學理工學院的工程師對增材製造的設計自由度進行了探索，用以提升柴油發動機的結構性能。針對這些擁有多個特定性能的部件，在概念論證中涉及到了一種新的設計方法，結果表明，該團隊成功地做到了重量最小化，並且優化了性能、降低了製造成本。
柴油發動機支撐架的優化模型。全新的結構形態，在減輕重量、減少材料使用的基礎上，能夠針對分析得出的負載量給出相應的支撐。
增材製造和拓撲優化：天然的結合
增材製造幾乎可以成形任意形狀的部件，面向增材製造的設計過程中，讓設計師可以專注于部件內部功能的組合，例如優化重量與性能比。增材製造可能是與拓撲優化最天然匹配的一種製造方法，它可以選擇性地將根據零件功能來進行材料分佈。在傳統製造中，幾何形狀越複雜，成本就越高，但在增材製造中，形狀的複雜性幾乎不用考慮，優化可以減少材料使用、減少重量和成本。
對可設計部分進行的重新設計流程方案。增材製造在複雜形狀製造上的天然優勢，很容易將拓補優化方案納入流程中。當然也不是所有的機械系統的部件都適於增材製造，因此，通過設計分析來確定增材製造可以帶來最大的效益是很有必要的。
如何做一個面向增材製造的成功設計？
“成功”意味著，這種設計／重新設計應該帶來科技和經濟效益，比如：（A）降低製造成本——也許是通過簡化裝配或者減少一些大的投入，像部分特定的工具；（B）增加生產運作效益，通過降低成產成本、提高性能或者提供一些獨特的性能。在汽車工業中，對低成本、可靠、耐用、輕質零部件的需求正推動著工程師和研發人員重新評估部件設計，柴油發動機支架——一個傳統機械加工出的金屬結構，是用來驗證重新設計的不錯的選擇。
如何進行設計分析？如何選擇合適的增材製造技術？
在重新設計之前越早確定要選擇的增材製造技術越好，因為這涉及到最初的設計規則。在金屬增材製造中，選擇性鐳射融化（SLM）屬於粉床熔化的分類，被稱為直接金屬鐳射融化，該技術以其基本機制命名。該過程依賴於用一個細微的雷射光束在粉末床上連續的層中進行掃描，選擇性地熔化複雜軌道，最終的部件來源於融化粉末的凝固。高精度的優勢是SLM往往被用於精細、複雜部件成形的原因，所以柴油機支架的製造也選擇了這種技術。
相對于傳統的減材製造，SLM的優勢體現在以下四個方面：
形狀的複雜性：SLM可以製造任意的實體形狀，可以實現經濟的小批量製造，輕鬆定制和優化幾何形狀；高精度：材料是用一個精細的雷射光束，逐點、逐層處理；層次的複雜性：擁有足夠精度的機器，意味著可以一次性完成複雜、多層次的多尺度結構設計和製造，精度從0．1至10mm不等；功能的複雜性，幾何形狀的靈活性：可以將多種功能集成到一個部件上來，以往則需要製造多個部件。
柴油發動機支架及其運作環境
在內燃機中，發動機支架是負責保持動力系統的部件，除了發動機以外，它還包括傳動系統和配件，將動力傳送系統與車輛底盤相連接。而發動機支架緊密相關的是冷卻驅動系統，它由三個滑輪組成：驅動器滑輪與曲柄軸鼻部連接，中間滑輪對系統傳送帶施加壓力，動滑輪則用於驅動風扇。然後，柴油發動機支架與中間滑輪之間錨定。
冷卻系統部件
包含三個滑輪的冷卻系統，增材製造重新設計的過程要考慮到該系統與發動機支撐架錨定時產生的負載。整個部件圍繞零件的兩個獨立功能進行拓撲優化的，既連接了動力傳動系統和底盤，又支撐著中間的壓力滑輪。
融合式設計：兼顧SLM技術和拓補優化
儘管有成功的SLM重新設計案例作為借鑒，相應的專有規則仍然缺乏，需要進一步探討。 大多數這樣的規則目前主要由使用者內部開發，並且被他們視為重要的商業化優勢。 同樣關鍵的還有增材製造設計的工作流程，要保證可以進行高效的重新設計，並且實現拓撲優化與設計製造的無縫對接。
這一工作流程必須從以下幾個方面著手：
準確瞭解元件的標準和開發要求
瞭解／考慮SLM技術的優勢和限制所在
在設計階段就要考慮後處理技術
確定製造時間和成本範疇
對發動機支撐架的要求主要是在承重方面。為了確定優化過程中要設置的負載值，要把車輛模型放在特殊軌道中進行測試。通過動力系統中的加速度監測儀，可以隨時記錄車輛運行的加速度狀況。
全新的柴油發動機支撐架模型（藍色部分），以及與之連接的中間壓力齒輪。與壓力齒輪精准對接是它的一個關鍵功能。也可以通過其他方式獲得相關負載值。 與冷卻系統相關的輪轂，可以通過商業化軟體得出其負載大小和方向的相關數值，其中會考慮到傳送帶的材料，功率消耗與發動機轉速的對比曲線，以及汽車的占空比等。夾緊載荷這使用超聲波裝置測量。
基於資料形成氣缸腔、螺栓和中間壓力滑輪的有限元模型，然後就可以開始結構數學優化的反覆運算計算過程。有限元網格設計可以在得出資料的基礎上，説明發動機支撐結構實現拓補優化
突破設計局限，利用增材製造實現部件性能優化
在這種分析的過程中，最關鍵的是認識到增材製造在設計靈活性上的限度。這種靈活性允許設計師專注于利用拓撲優化技術來提升部件功能。在已知施加載荷、邊界條件和設計體積，求解器可以得出某個結構部件的最佳材料使用量和材料分佈。
然而，設計師和工程師們往往為了確保一個可用於製造的方案，在拓撲優化問題上過度束手束腳。這種做法容易造成浪費，並且可能無法充分發揮增材製造的自由設計優勢。瞭解其增材製造的優勢所在，並不斷去突破設計上的限制，才能真正利用增材製造最大化地挖掘部件製造的競爭力。
關於作者
Stéphanie Giet，鐳射增材製造專家。對整個增材製造流程鏈（如設計、流程開發和生產準備）有深刻的理解和豐富的應用開發經驗。她目前在為一家位於英國的鐳射粉末床熔融技術製造商工作。
柴油發動機支撐架的優化模型。全新的結構形態，在減輕重量、減少材料使用的基礎上，能夠針對分析得出的負載量給出相應的支撐。
增材製造和拓撲優化：天然的結合
增材製造幾乎可以成形任意形狀的部件，面向增材製造的設計過程中，讓設計師可以專注于部件內部功能的組合，例如優化重量與性能比。增材製造可能是與拓撲優化最天然匹配的一種製造方法，它可以選擇性地將根據零件功能來進行材料分佈。在傳統製造中，幾何形狀越複雜，成本就越高，但在增材製造中，形狀的複雜性幾乎不用考慮，優化可以減少材料使用、減少重量和成本。
對可設計部分進行的重新設計流程方案。增材製造在複雜形狀製造上的天然優勢，很容易將拓補優化方案納入流程中。當然也不是所有的機械系統的部件都適於增材製造，因此，通過設計分析來確定增材製造可以帶來最大的效益是很有必要的。
如何做一個面向增材製造的成功設計？
“成功”意味著，這種設計／重新設計應該帶來科技和經濟效益，比如：（A）降低製造成本——也許是通過簡化裝配或者減少一些大的投入，像部分特定的工具；（B）增加生產運作效益，通過降低成產成本、提高性能或者提供一些獨特的性能。在汽車工業中，對低成本、可靠、耐用、輕質零部件的需求正推動著工程師和研發人員重新評估部件設計，柴油發動機支架——一個傳統機械加工出的金屬結構，是用來驗證重新設計的不錯的選擇。
如何進行設計分析？如何選擇合適的增材製造技術？
在重新設計之前越早確定要選擇的增材製造技術越好，因為這涉及到最初的設計規則。在金屬增材製造中，選擇性鐳射融化（SLM）屬於粉床熔化的分類，被稱為直接金屬鐳射融化，該技術以其基本機制命名。該過程依賴於用一個細微的雷射光束在粉末床上連續的層中進行掃描，選擇性地熔化複雜軌道，最終的部件來源於融化粉末的凝固。高精度的優勢是SLM往往被用於精細、複雜部件成形的原因，所以柴油機支架的製造也選擇了這種技術。
相對于傳統的減材製造，SLM的優勢體現在以下四個方面：
形狀的複雜性：SLM可以製造任意的實體形狀，可以實現經濟的小批量製造，輕鬆定制和優化幾何形狀；高精度：材料是用一個精細的雷射光束，逐點、逐層處理；層次的複雜性：擁有足夠精度的機器，意味著可以一次性完成複雜、多層次的多尺度結構設計和製造，精度從0．1至10mm不等；功能的複雜性，幾何形狀的靈活性：可以將多種功能集成到一個部件上來，以往則需要製造多個部件。
柴油發動機支架及其運作環境
在內燃機中，發動機支架是負責保持動力系統的部件，除了發動機以外，它還包括傳動系統和配件，將動力傳送系統與車輛底盤相連接。而發動機支架緊密相關的是冷卻驅動系統，它由三個滑輪組成：驅動器滑輪與曲柄軸鼻部連接，中間滑輪對系統傳送帶施加壓力，動滑輪則用於驅動風扇。然後，柴油發動機支架與中間滑輪之間錨定。
冷卻系統部件
包含三個滑輪的冷卻系統，增材製造重新設計的過程要考慮到該系統與發動機支撐架錨定時產生的負載。整個部件圍繞零件的兩個獨立功能進行拓撲優化的，既連接了動力傳動系統和底盤，又支撐著中間的壓力滑輪。
融合式設計：兼顧SLM技術和拓補優化
儘管有成功的SLM重新設計案例作為借鑒，相應的專有規則仍然缺乏，需要進一步探討。 大多數這樣的規則目前主要由使用者內部開發，並且被他們視為重要的商業化優勢。 同樣關鍵的還有增材製造設計的工作流程，要保證可以進行高效的重新設計，並且實現拓撲優化與設計製造的無縫對接。
這一工作流程必須從以下幾個方面著手：
準確瞭解元件的標準和開發要求
瞭解／考慮SLM技術的優勢和限制所在
在設計階段就要考慮後處理技術
確定製造時間和成本範疇
對發動機支撐架的要求主要是在承重方面。為了確定優化過程中要設置的負載值，要把車輛模型放在特殊軌道中進行測試。通過動力系統中的加速度監測儀，可以隨時記錄車輛運行的加速度狀況。
全新的柴油發動機支撐架模型（藍色部分），以及與之連接的中間壓力齒輪。與壓力齒輪精准對接是它的一個關鍵功能。也可以通過其他方式獲得相關負載值。 與冷卻系統相關的輪轂，可以通過商業化軟體得出其負載大小和方向的相關數值，其中會考慮到傳送帶的材料，功率消耗與發動機轉速的對比曲線，以及汽車的占空比等。夾緊載荷這使用超聲波裝置測量。
基於資料形成氣缸腔、螺栓和中間壓力滑輪的有限元模型，然後就可以開始結構數學優化的反覆運算計算過程。有限元網格設計可以在得出資料的基礎上，説明發動機支撐結構實現拓補優化
突破設計局限，利用增材製造實現部件性能優化
在這種分析的過程中，最關鍵的是認識到增材製造在設計靈活性上的限度。這種靈活性允許設計師專注于利用拓撲優化技術來提升部件功能。在已知施加載荷、邊界條件和設計體積，求解器可以得出某個結構部件的最佳材料使用量和材料分佈。
然而，設計師和工程師們往往為了確保一個可用於製造的方案，在拓撲優化問題上過度束手束腳。這種做法容易造成浪費，並且可能無法充分發揮增材製造的自由設計優勢。瞭解其增材製造的優勢所在，並不斷去突破設計上的限制，才能真正利用增材製造最大化地挖掘部件製造的競爭力。
關於作者
Stéphanie Giet，鐳射增材製造專家。對整個增材製造流程鏈（如設計、流程開發和生產準備）有深刻的理解和豐富的應用開發經驗。她目前在為一家位於英國的鐳射粉末床熔融技術製造商工作。