行業：增材制造

    挑戰：如何利用開發設計和優化方 法，從而改進采用激光增材制 造方法生產的部件。

    Altair 解決方案：HyperWorks、OptiStruct 和仿 真驅動設計流程。

    優點：提高材料利用效率；使結構更輕、更堅固 ； 所需的用戶培訓更少 ； 制造流程靈活、可進行調 整

    背景介紹     

      許多技術創新都基于自然界中生物結構的設計。通過不斷進化，大自然在數百萬年間已學會根據各種形狀的功能對形狀進行調整，從而最大程度地提高效率。當工程師設法構建堅固而輕盈的結構時，這些自然界中的示例可以提供重要線索。在目前的研究項目中，Laser  Zentrum  Nord  (LZN)  和漢堡-哈爾堡工業大學(TUHH)正著手研究如何將創新型設計方法與激光增材制造相結合，并利用生物示例，挖掘輕量化結構的新潛力。

     骨骼等自然結構展示出了極高的材料效率。然而，生產類似結構對于制造企業而言則是一大挑戰。在尋找新方法來實現輕量化策略的研究過程中，新的制造方法開始發揮作用。激光增材制造（即選擇性激光熔融）特別適合生產極其復雜的幾何結構，它采用激光一層層地掃描堆積的金屬粉末，使金屬粉末選擇性地熔化。這種方法不但適用于生產單個樣機，而且還適用于生產在航空和汽車行業中用作支撐結構的高承重金屬部件。此類部件在各自應用領域已證明了自身的價值。

      LZN 成立于 2009  年，致力于將知識和技術由基礎研究轉化為工業應用。LZN與漢堡-哈爾堡工業大學(TUHH)激光與系統技術研究所(iLAS)建立了密切的合作關系。

    挑戰 

    TiLight研究項目旨在研究如何將創新型設計方法與新的制造能力相結合，從而利用TiAl6V4這種高強度鈦合金材料以更經濟的方式制造出輕量化部件。該項研究為LZN與iLAS合作開展的項目，并由BMBF（德國聯邦教育與研究部）提供資金支持。該項目除對TiAl6V4 材料進行增材制造外，還對仿生學等新型設計方案進行了分析、歸類并將其納入指導準則和數據庫，從而幫助用戶充分挖掘輕量化的潛力。

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    “LZN 之所以選擇 Altair 和他們的產品主要有兩方面原因： Altair 的工具，如 OptiStruct，在 TUHH 已得到廣泛應用。而且，當我們和過去曾與 Altair 合作過的其他大學接觸后，他們都表示對雙方的合作感到 十分滿意。因此，我們也決定與 Altair 開展合作。HyperWorks 的優勢在于，這款套件囊括了項目所需的所 有軟件工具，我們無需在不同的工具之間進行切換即可完成整個虛擬流程。”

                                                                                                        Jannis Kranz

                                                                                                        LZN 副研究員                                                                                                         

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    解決方案    

      該研究項目最開始的主攻方向是航空業。在航空領域，更輕便的部件迅速展現出了優勢，而該行業也因樂于嘗試新型設計方案而著稱。降低質量有助于提高飛行器的載重能力或延長飛行器航程。在空間技術領域，每增加1千克負荷將使火箭和燃料重量額外增加30至100千克，這意味著采用輕量化結構可實現大幅節省。對于汽車等其他行業，由于他們一直嘗試尋找降低質量并提高車輛燃油效率的方法，因此對新型輕量化方案呈現出越來越濃厚的興趣。

      在TiLight項目中，選擇在飛行器中用作標準固定零件的支架作為試驗對象。民航飛機中使用多達30000個支架單元來固定駕駛艙內部系統和駕駛艙其他部件。該研究項目取得的成果使創新型輕量化結構取代了傳統支架，大大減輕了飛行器重量。

      LZN副研究員 Jannis Kranz 深入研究了支架部件能夠付諸生產的設計以及后續的輕量化結構的激光增材制造。考慮到 TiAl6V4 材料的特點，為激光增材方法開發出了定制的流程鏈，使用 Altair 的優化工具 OptiStruct 創建出基本的優化結構。將這些自動創建的結構與自然界中的生物示例進行對比并進行相應調整，然后再對最終的幾何結構進行最后的數值驗證。OptiStruct 等優化工具非常適合此類項目，尤其是在開發全新的設計方案時更是如此。由于所得的幾何結構通常十分復雜，因此，非常適合采用激光增材制造等限制較少的生產方法進行生產。

      航空業供應商 Premium Aerotec(PAG)擔當了該項目的行業合作伙伴。再結合 LZN 現有的加工設備，該項目所需的多數設備可直接可用。此外，研究人員還進入了三家金屬增材制造工廠SLM、Concept及EOS，自行生產出了所設計的部件。

      LZN 研究人員以支架樣品為例，證明了適用于輕量化金屬結構的全新設計和工程方案能夠與激光增材制造完美結合。所生產的結構充分利用了設計自由度。由于設計自由，在開發過程中就可以以更加大膽的方式采用優化工具，并且幾乎可以直接呈現結果，因為激光增材方法的制造限制較少。即使是復雜的結構也幾乎不需要額外的制造工作，并且拓撲優化的結果可根據具體的應用場合很好地進行調整，使其與自然示例相符。作為主要研究成果之外的副產品，Kranz還分析了仿生學等其他設計方案，對其進行了歸類并創建了指導準則和數據庫，旨在幫助未來的用戶充分挖掘輕量化結構的潛力。

      從 TiLight 項目一開始，LZN 就使用 Altair HyperWorks 作為主要工具。HyperWorks 是一種用于仿真驅動產品開發的領先設計解決方案，開發過程中，在部件概念設計階段會采用  CAE 工具。這種解決方案提供了面向建模、分析、優化、可視化、報表及數據管理的集成解決方案。在仿真驅動設計過程中，首先采用HyperWorks套件優化工具OptiStruct基于可用設計空間、產生的負荷和其他邊界條件執行優化。根據具體的應用場合，可先對其他參數進行研究并更改邊界條件，再對結果進行解釋，然后選出最適合激光增材制造的各種設計方案。此外，如果可行，所創建的設計方案可由生物示例進行補充。隨后借助 CAD 工具對提出的設計進行改進，并采用OptiStruct 對最終設計進行數值驗證。

                         拓撲優化工程師能夠構建更輕、載重效率更高的設計，僅在需要的位置應用材料。

      “為了開發出采用輕量化設計的新型支架，我們在確定結構時首先進行了拓撲優化，”Jannis Kranz 解釋道。 在確定了規格并定義了所需的連接點之后，優化后的幾何結構即為基本機構，供后續步驟進行進一步調整。基于這些技術數據，我們找到了能夠起到補充作用的生物示例。在流程的后續步驟中，只要在 CAD 中得出設計方案，我們就會利用Altair OptiStruct等工具再次對結果進行驗證。關于優化和計算，我們可以在HyperWorks中完成整個虛擬開發鏈。”

      為了探索非傳統的設計流程，在項目開始之初便采用了拓撲優化。雖然優化本身并不是激光增材制造的必要條件，但設計工程師在設計部件時會受到環境和經驗的影響。這就是設計工程師主要面向銑削、鑄造等傳統制造流程進行設計的原因。如果在增材制造等新型流程中不考慮優化，則所得的幾何結構將帶有傳統流程的鮮明特征，其中也包括它們的制造限制。然而，OptiStruct 給出了一種全新的形式，在增材制造流程中僅需稍作調整即可直接制造。

用于設計與優化采用增材制造方法生產的部件而全新開發的流程鏈 每一款新設計都從源自大自然的結構中獲得靈感（生物模擬）

    結論     

   “我們希望能夠自由地進行思考與優化，不受任何限制，”Kranz 說道。我們盡可能大膽地嘗試實施仿真驅動設計流程。我們已能夠脫離傳統方案，實現全新方案。而這要歸功于 OptiStruct 給予我們的幫助，這款工具幫助我們開辟了新的思路，使我們能夠通過設計方法和制造流程充分挖掘輕量化的潛力。

      激光增材制造采用激光逐層地掃描堆積的金屬粉末，使金屬粉末選擇性地熔化。采用這種方式，可以對優質鋼、工具鋼、鋁或鈦合金等工藝金屬進行加工。原始材料的機械屬性將被保留。激光增材制造的顯著優勢在于，它在本質上是一種基于粉末的方法，這一方法能夠重復利用高達  95％的未用材料。相比之下，銑削等傳統制造方法的材料浪費率則高達 98%。

      該制造方法的另一大優勢在于，這種方法制造的部件采用近凈成形技術進行生產，通常無需后續的精加工步驟，但對精度及裝配要求較高的結構通常仍需要傳統的精加工步驟。

      此外，激光增材制造能夠在部件中實現功能集成，這不但有助于縮短生產和裝配時間，而且還能提高經濟效益。

由于部件是逐層進行生產，因此也無需使用制模設備。它可以在單個制造流程中生產出形狀迥異的多種部件。

      TiLight  研究項目明確展示了將拓撲優化與激光增材制造相結合的可行性及其帶來的優勢。并且，由于開發了最佳實踐流程鏈，這令對模型和幾何結構設計進行優化成為可能。這些幾何結構以自然結構為導向，有助于充分挖掘組合方法所帶來的輕量化潛力。研究結果還表明，激光增材流程能夠或多或少地減少對制造能力的限制，只有在使用優化工具和特別適用于該制造方法的開發流程時，才能充分發揮激光增材制造的優勢。另一方面，理想優化結果帶來的副作用，如幾乎無法以傳統制造方法進行生產的載荷特定的復雜結構，可借助激光增材制造方法進行彌補。

     優化、生物結構的調整以及激光增材制造的相互結合，帶來顯著的經濟和效率優勢，尤其是在重量直接影響產品性能的航空等領域更是如此。

      TiLight的后續項目仍在進行，重點在于確定該項目的不足之處或其他未決問題。后續項目將進一步完善TiLight項目所開發的設計方法并對其制造限制加以研究。TiLight項目的研究成果已經應用于工業領域，被眾多不同的企業所應用。TUHH的學生也正開始從LZN的研究中獲益，iLAS 所長及Laser Zentrum Nord (LZN) GmbH 首席執行官Emmelmann教授已在課堂和講座中展示這些創新方案并進行探討。

      “我們希望學生認識到，如今我們已經擁有了可應用的新方案，”Kranz 說道，“而我們的研究結果正逐漸與工業項目相結合。我們將依靠我們的研究經驗為工業客戶提供支持，幫助將研究成果轉化為日常的實際應用，”Jannis Kranz總結道。

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