Altair 發(fā)揮增材制造潛力：實現(xiàn)大型金屬無人機框架3D打印

2011年，南非航空制造解決方案提供商Aerosud和南非科學(xué)與工業(yè)研究理事會（CSIR）聯(lián)合發(fā)起了一個具有挑戰(zhàn)性的3D打印項目Aeroswift。新一代金屬增材制造系統(tǒng)具有比以往任何時候都更大的制造空間，Aeroswift項目的目標(biāo)是激發(fā)增材制造行業(yè)潛力，提高市場競爭力，并為南非在金屬AM領(lǐng)域提供獨特的競爭優(yōu)勢。使用Aeroswift增材制造系統(tǒng)，可以打印比過去大得多的零件，打印速度比任何其他商用激光熔融設(shè)備都快10倍，從而獲得一種全新的增材制造方法。

為了展示打印機制造超大航空零部件的能力，Aeroswift與Altair合作開發(fā)了一種設(shè)計大型產(chǎn)品的方法。一個無人駕駛飛行器框架被設(shè)計成典型案例，隨后使用Aeroswift進(jìn)行增材制造。為了在滿足所有組件要求的同時提高可制造性，項目工程師在設(shè)計過程中使用了Altair Inspire拓?fù)鋬?yōu)化功能。

行業(yè)：航空
挑戰(zhàn)：在Aeroswift打印機上構(gòu)建大型金屬無人機框架，需要在提高產(chǎn)品性價比的同時，減少開發(fā)時間和資源浪費。
Altair解決方案：利用Altair Inspire™，工程師們設(shè)計了一個大型無人駕駛飛行器框架，用于在Aeroswift 3D打印設(shè)備上進(jìn)行制造。

優(yōu)點：
•優(yōu)化無人機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
•實現(xiàn)大尺寸3D打印
•減少開發(fā)時間、材料和浪費

更大的制造空間——Aeroswift系統(tǒng)能夠增加零件尺寸和復(fù)雜性
Aeroswift打印機能夠構(gòu)建許多金屬（包括鈦合金）大型3D打印金屬飛機部件。這些金屬材料具有高性能、低重量等特點，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。無人機框架的設(shè)計使用鈦合金在大型粉末床熔化打印系統(tǒng)（如Aeroswift打印機）進(jìn)行制造。


設(shè)計初始，項目組規(guī)定了無人機飛機和框架的要求。Aeroswift的工程師們不僅想打印有史以來最大的金屬框架，還想展示如何縮短構(gòu)建時間和減少每個裝配體的數(shù)量，并期望通過減少材料浪費，獲得更好的性價比。設(shè)計過程包括無人機飛行要求、電子部件以及傳動系的選擇，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的機械設(shè)計，美學(xué)改進(jìn)和可制造性改進(jìn)。

3D打印優(yōu)化無人機框架

多重設(shè)計需求——更大、更好、更快地生產(chǎn)
工程師們必須滿足的制造要求有一長串。在他們的設(shè)計考慮中，除了框架設(shè)計要求（比如打印機的成型空間以及無人機對稱電機布置），團隊還必須考慮包括美學(xué)在內(nèi)的因素。
他們必須在推力重量比至少為2:5:1的情況下達(dá)到最小15分鐘的飛行時間，同時框架剛度也必須最大化。最終設(shè)計必須能夠通過3D打印制造出來，且打印工藝采用Ti6Al4V粉末床融化工藝。

Altair Inspire釋放設(shè)計潛力——更好的設(shè)計和可打印性

Aeroswift項目工程師需要知道材料如何分布。在預(yù)先定義的設(shè)計空間中進(jìn)行優(yōu)化。由于特殊的結(jié)構(gòu)和重量要求，自由的設(shè)計造型不能用傳統(tǒng)的方法來制造，開發(fā)團隊決定使用Altair Inspire來對框架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過增材制造的方法進(jìn)行制造。開發(fā)團隊合作貢獻(xiàn)了一個多步驟的開發(fā)流程，能夠在合理的時間內(nèi)生成最佳的設(shè)計。

Altair Inspire UAV 框架拓?fù)鋬?yōu)化模型

結(jié)論
首先，創(chuàng)建一個盡可能有小細(xì)節(jié)的基本實體概念設(shè)計，然后導(dǎo)入Altair Inspire以運行基線有限元分析。性能檢查確保能夠產(chǎn)生合理的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，保證所有組件之間的必需連接。

優(yōu)化設(shè)計呈現(xiàn)

工程師們通過增加分支大小來進(jìn)行初步優(yōu)化，減少復(fù)雜的計算，找到主要的載荷路徑。這一過程產(chǎn)生了較厚的邊界，包圍出最佳設(shè)計。然后，Aeroswift團隊對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行幾何重構(gòu)，接著使用更小的優(yōu)化厚度進(jìn)行第二階段拓?fù)鋬?yōu)化獲得更小的分支。

整體體現(xiàn)了從一個非常基本的設(shè)計到一個適合金屬增材項目的過程，工程師對結(jié)果很滿意。無人機框架符合所有要求，包括機架重量、推力重量比和飛行時間，同時保持框架剛度。最終的設(shè)計比最初預(yù)計的結(jié)果更好。“我們對結(jié)果非常滿意，使用Altair Inspire我們可以建立一套流程來幫助我們獲得更高標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量的拓?fù)鋬?yōu)化框架結(jié)構(gòu)?！盇eroswift的運營經(jīng)理Jacobus Prinsloo說。 “如果沒有Altair 工具，我們將無法充分發(fā)揮航空航天工業(yè)中增材制造的潛力?！?br />