行業：航天

    挑戰：為太空應用打造更經濟高效、質量更輕且剛度更高的部件。

    Altair 解決方案：OptiStruct 、 solidThinking  Evolve、ProductDesign、工業級 3D 打印。

    優點：重量減半 ； 更低的發射成本 ； 更高的剛度 ； 更小的應力； 最短的交付周期

    背景介紹 

    RUAG Space 是歐洲航空航天行業的領先設備供應商，該公司在全球共有 1150 名員工，而整個 RUAG 集團在全球更是擁有 8000 名員工。RUAG Space 分公司在 2013 年的銷售總額約為 24.86 億歐元。該公司為航空航天行業開發了眾多 產品，其中包括發射裝置結構和分離機構、衛星結構、機械構造和機械設備、用于衛星和運載火箭的數字電子產品、衛星通信設備及儀器等。 OptiStruct 和 Altair ProductDesign 幫助瑞士蘇黎世 RUAG Space 公司設計和優化了有史以來最長的工業級 3D 打印航天部件之一。

    挑戰 

    在航空航天行業中，減重占據著舉足輕重的地位，因為衛星越輕，發射至太空的成本就越低。同時，由于部件需要在太空和發射過程中的極惡劣條件下保持正常的性能，因此除了輕便之外，還要極其堅固。面對需要不斷減輕部件重量的壓力， 航空航天業絕不會放過每一個節省材料和重量的機會。因此制造商正在對各項新的設計技術和制造方法進行研究，了解它們能夠對產品重量產生的潛在影響。而在業界引起轟動的技術之一，就是日漸崛起的增材制造 (AM) 技術。 自 2013 年起，RUAG Space 始終對如何利用增材制造過程“打印”部件進行著深入細致的研究和開發工作。在進行 3D 打印的過程中，名為直接金屬激光燒結 (DMLS)的自動流程會將各層金屬粉末堆積在一起，最終制成所需的形狀。工程師的目標是要充分利用增材制造技術所提供的設計自由度，打造出比原始設計更堅固且更輕便的鋁制部件。此外，RUAG 公司的工程師還希望縮短設計和開 發時間，從而更加迅速地獲得結果和最終部件。  

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    “我們的目標是為未來的 Sentinel-1 衛星配備由工業級 3D 打印機制造的天線支架。3D 打印技術蘊藏著巨大的商機，目前我們正在開發其在航空航天領域的其他應用。同樣，我們將繼續在設計和優化流程中使用 Altair 的產品，以確保部件布局適合于3D 打印。未來，使用 3D 打印機制造整個衛星結構將有望成為現實。這意味著，電氣線束、反射器、加熱管等現在只能單獨制造的部件，在未來將能夠直接整合到結構元件中。” 

                                                                                                                         Michael Pavloff RUAG Space 

                                                                                                                          首席技術官

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    解決方案

   此項目的第一步是確定可以實行增材制造的部件，即找出哪些部件適合采用增材制造方式。隨后需要由 RUAG 公司的工程師建立開發流程，并為增材制造技術確定適合的材料。接下來，研究小組需找到經驗豐富且值得信賴的開發和制造合 作伙伴，從而在部件的設計、優化和制造方面取得相應的支持。最后，RUAG 公司的工程師設立一套驗證和測試流程，用 于確保增材制造零件質量無虞。天線支架臂由于可采用增材制造方法進行生產，并具有極高減重潛力，所以被選擇作為增材制造對象。這一部件即成為了研究的基礎。 RUAG 選擇了 Altair 產品開發部門 Altair ProductDesign 來對 3D 打印流程的設計提供支持，因為該公司在開發和利用優化技術方面具有豐富的專業知識。借助優化方法，制造商可確定哪些材料在結構中是必不可少的，而哪些材料在移除后不會對性能造成負面影響，并就此來減輕重量。該技術與增材制造技術構成了緊密的配合，通過優化過程可確定理想的布局，而通過增材制造技術則可構造出更接近這一理想設計的形狀。

                                                                                           天線支架的最終設計

                         天線支架的仿真驅動式設計流程造就了以下幾大優點： 重量減半、應力減少、剛度提高，

                                                                       以及最短的設計交付周期！

            在利用 OptiStruct 創建出首個優化布局后，工程師運用 solidThinking Evolve 進行表面建模，這大幅縮短了交付周期，僅用四周時間即實現了設計定型

   為了進行優化研究，這支聯合團隊部署了 Altair HyperWorks 仿真工具套件中的結構求解器 OptiStruct。該團隊首先在 OptiStruct 中界定了“設計范圍”，并將天線在發射過程中以及在太空中使用時將承受的已知載荷工況應用到其中。利用該信息，OptiStruct 能夠提供一個具有高材料利用率的理想設計，為之后 RUAG 和 Altair 進行最終設計奠定基礎。在 OptiStruct 創建出首個優化布局后，工程師運用 solidThinking Evolve 進行設計。由于 Evolve 提供了極大的設計自由度，因此與傳統 CAD 工具相比，設計流程將更快。于是僅過了四周的時間，設計便得以定型。 在該項目的優化和設計階段完成之后，該部件由 RUAG 的增材制造技術供應商 EOS 進行制造。由于 OptiStruct 的精 度極高，再加上 Altair ProductDesign 有能力將優化結果轉化為實際可行的零件，最終的部件幾乎不需要進行任何調整就 能滿足 EOS 的 3D 打印要求。 總部位于德國的 EOS 是工業級 3D 打印領域的技術及市場領軍者，在增材制造經驗設計的咨詢方面積累了深厚的專業知識。在本次項目中，EOS 負責利用 EOS M 400 系統進行鋁制部件的制造工作。此全新天線支架長約 40 厘米，是迄今為止利用直接金屬激光燒結技術生產的最長金屬部件之一。為確定新的天線支架能否在太空中使用，目前正在對其進行一 系列嚴格的質量試驗，預計試驗將在年底結束。

    結論 

    優化和增材制造的巧妙結合使輕量化設計上升到一個全新的高度，這種制造流程能夠實現結構高效的部件。由 RUAG 與 Altair ProductDesign 共同開發出的最終設計非常接近于優化結果給出的理想設計方案。剛度更高、質量更輕的部件極 大程度地幫助減少了發射航天器和衛星的成本。對于工程師而言，這項新技術提供了眾多優勢，他們不但可享受更大的設計自由度、更快的設計和制造流程，最后但同樣重要的是，他們還能夠定制更高性能的產品。雖然太空應用的工業級 3D 打印仍處于起步階段，但這一方法，尤其是在與拓撲優化相結合后，將改變產品的開發和生產方式。太空應用始終是新技術的前沿陣地，而過往的歷史也表明，在航空航天行業得到成功應用的技術總是會很快地被其他適用行業所采納。

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