金屬增材制造工藝制訂與實(shí)施 課件 項(xiàng)目五 打印制作拓?fù)鋬?yōu)化的 任務(wù)一

項(xiàng)目五打印制作拓?fù)鋬?yōu)化的摩托車支架THREEDIMENSIONALPRINTINGSLM:Selectivelasermelting（選擇性激光熔化）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化、快速凝固的一種技術(shù)?！督饘僭霾闹圃旃に囍朴喤c實(shí)施》教材課件任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)YOURLOGOLearningObjectives

1.了解摩托車支架的相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景；2.掌握拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念及基本設(shè)計(jì)流程；3.了解鋁合金材料的特點(diǎn)和打印成形的工藝特性；4.能制定本產(chǎn)品增減材混合制造的工藝規(guī)程；5.能應(yīng)用切片軟件，合理選擇加工參數(shù)，生成打印程序；6.能夠操作金屬打印機(jī)完成本項(xiàng)目制件的打印工作；7.能夠了解掌握本項(xiàng)目制件所有相關(guān)后序處理操作?！?xiàng)目情境：某摩托車企業(yè)試制新產(chǎn)品，對(duì)原摩托車“支架”進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將改進(jìn)模型交由增材制造事業(yè)部進(jìn)一步進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行力學(xué)仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果溝通確認(rèn)后執(zhí)行打印。打印完成后，由本事業(yè)部進(jìn)行機(jī)械加工后處理。該產(chǎn)品數(shù)量為兩件，材料為鋁合金。生產(chǎn)工程師接到任務(wù)以后，通過(guò)任務(wù)單了解并分析客戶需求，檢查并優(yōu)化模型，根據(jù)最終確認(rèn)模型選擇加工方法、材料、設(shè)備等，制定打印工藝，由設(shè)備操作員完成打印及相關(guān)后處理，再交付質(zhì)檢部驗(yàn)收確認(rèn)，并填寫(xiě)相關(guān)記錄，及時(shí)發(fā)送給客戶。任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)STATUSOFINDUSTRYDEVELOPMENTYOURLOGO?任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解摩托車支架的應(yīng)用條件和環(huán)境；

2.了解摩托車支架采用增材工藝制造的優(yōu)勢(shì)與意義；

3.理解拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念及實(shí)際應(yīng)用意義；

4.掌握鋁合金材料的工藝特性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件制定加工工藝方案。任務(wù)一

項(xiàng)目獲取與分析任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【任務(wù)工單】產(chǎn)品名稱摩托車編號(hào)

周期5天序號(hào)零件名稱規(guī)格材料數(shù)量/套生產(chǎn)要求1摩托車支架ф60*50鋁合金AlSi10Mg21.對(duì)原模型進(jìn)行工況分析，并進(jìn)一步拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；2.模型切片處理并增材打印整體部分；3.完成打印件的相關(guān)后序處理，確保機(jī)加工尺寸精度。2

3

備注

接單日期：生產(chǎn)部經(jīng)理意見(jiàn)（同意生產(chǎn)）完成日期：請(qǐng)參見(jiàn)圖2-1-1，了解“摩托車支架”零件的最終效果：圖2-1-1摩托車支架零件效果圖任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【項(xiàng)目分析】一、圖樣分析下圖為“摩托車支架”的原始零件圖（圖5-1-2），工作場(chǎng)景圖（圖5-1-3），約束和載荷約束示意圖（圖5-1-4）。

圖5-1-2摩托車支架圖紙任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【項(xiàng)目分析】一、圖樣分析下圖為“摩托車支架”的原始零件圖（圖5-1-2），工作場(chǎng)景圖（圖5-1-3），約束和載荷約束示意圖（圖5-1-4）。

圖5-1-3摩托車支架工作場(chǎng)景圖任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【項(xiàng)目分析】一、圖樣分析下圖為“摩托車支架”的原始零件圖（圖5-1-2），工作場(chǎng)景圖（圖5-1-3），約束和載荷約束示意圖（圖5-1-4）。

圖5-1-4約束和載荷約束示意圖任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析根據(jù)以上圖，現(xiàn)做如下分析：1.整體分析本產(chǎn)品是一款輕量化的摩托車支架，該支架的主要作用是連接減震器端和車架連接端，起到連接、調(diào)節(jié)的作用，主要的載荷同樣也來(lái)自減震器端和車架連接端。本產(chǎn)品需要根據(jù)實(shí)際的受載情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化調(diào)整，這里的簡(jiǎn)化調(diào)整指的是拓?fù)鋬?yōu)化前的步驟，從而滿足使用前提下的最小安全系數(shù)和最大位移量。拓?fù)鋬?yōu)化后支架的結(jié)構(gòu)輪廓將發(fā)生很大的變化，結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的制造工藝發(fā)生改變。完全依靠傳統(tǒng)的減材工藝已經(jīng)滿足不了輕量化支架的生產(chǎn)要求，因此本次制造工藝采取先用增材制造完成支架的整體打印制造，后用減材制造完成結(jié)構(gòu)件上關(guān)鍵配合面和孔的加工。2.尺寸分析該零件總體尺寸不大，整體的制造工藝為先增材后減材，考慮到金屬增材制造精度較高（±0.1mm/100mm以內(nèi)，最高可以達(dá)到±0.05mm），因此未注公差尺寸不進(jìn)行減材工藝。標(biāo)注尺寸公差和粗糙度的面或孔進(jìn)行增材之前要留出減材精加工余量0.5mm。由于拓?fù)鋬?yōu)化后零件的結(jié)構(gòu)輪廓不方便裝夾，所以該構(gòu)件要與打印基板一體進(jìn)行減材加工，最后再?gòu)拇蛴』迳锨懈钕聛?lái)。3.表面質(zhì)量本制品加工完成后要進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火后進(jìn)行噴砂處理，再進(jìn)行減材加工保證尺寸和表面精度，最后進(jìn)行線切割取件，并手工祛除支撐，并提高表面質(zhì)量。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析二、相關(guān)知識(shí)1.摩托車支架的應(yīng)用情境

摩托車不僅作為一種代步工具，而且己經(jīng)被作為一種休閑娛樂(lè)方式，這就對(duì)摩托車的綜合性能及外觀提出了更高的要求。為提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)成本，有限元分析技術(shù)必須貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以在樣品、樣車之前，模擬零部件甚至整車的性能和工作狀態(tài)，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（設(shè)計(jì)-試制-測(cè)試-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再試制）的重復(fù)過(guò)程，使產(chǎn)品在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中處于可預(yù)見(jiàn)、可控制的狀態(tài)。

2016年5月，空客集團(tuán)發(fā)布了世界上第一輛3D打印摩托車（圖2-1-5）。這款摩托車最大的特點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)優(yōu)，其車身總重量?jī)H為35公斤，比普通的電動(dòng)摩托車輕30%。而空客集團(tuán)能取得這樣的突破，與其綜合應(yīng)用的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和3D打印技術(shù)有重大關(guān)系——通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，將框架設(shè)計(jì)成仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了材料的最佳分布；通過(guò)增材制造技術(shù)完成關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)制造。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析圖5-1-5世界首輛3D打印摩托車任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析2.什么是拓?fù)鋬?yōu)化？

拓?fù)鋬?yōu)化（TopologyOptimization）是在給定的3D幾何設(shè)計(jì)空間內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)人員設(shè)置的定義規(guī)則來(lái)優(yōu)化材料的布局及結(jié)構(gòu)的過(guò)程。目標(biāo)是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的外力、荷載條件、邊界條件、約束以及材料屬性等因素進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化，從而最大限度的提高零件的性能?？傊?，拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想是：將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)的材料分布問(wèn)題，最終得到最佳的材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)，即同一結(jié)構(gòu)，在材料相同的情況下，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果（不同的材料分布形式）可以使結(jié)構(gòu)整體剛度最大。正是由于拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)越性以及增材制造的可行性，越來(lái)越多的工程設(shè)計(jì)人員開(kāi)始在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化分析來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化屬于有限元分析技術(shù)的一種具體應(yīng)用，而拓?fù)鋬?yōu)化就是按照拓?fù)淅碚?，結(jié)合有限元分析技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的幾何形狀、幾何截面方面的優(yōu)化（參見(jiàn)圖5-1-6）。圖5-1-6

典型的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)件任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析3.拓?fù)鋬?yōu)化軟件分析設(shè)計(jì)流程。（1）首先，設(shè)計(jì)人員確定零件所需的最小設(shè)計(jì)空間。（2）定義外部荷載、邊界條件、約束條件以及材料屬性等輸入信息，當(dāng)然還指定了固定錨點(diǎn)（不參與設(shè)計(jì)優(yōu)化的固定形體）。（3）利用有限元分析（FEA）考慮邊界條件內(nèi)（如應(yīng)用負(fù)載點(diǎn)、安裝位置以及約束區(qū)域等）的設(shè)計(jì)空間，并將設(shè)計(jì)空間分解為更小的區(qū)域。（4）拓?fù)鋬?yōu)化使用有限元?jiǎng)?chuàng)建這些較小設(shè)計(jì)區(qū)域的基本網(wǎng)格（mesh），并通過(guò)有限元分析評(píng)估網(wǎng)格的應(yīng)力分布和應(yīng)變能，以找到每個(gè)元素可以處理的最佳載荷或者應(yīng)力。（5）拓?fù)鋬?yōu)化軟件以數(shù)字方式從各個(gè)角度對(duì)設(shè)計(jì)施加應(yīng)力分析，評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)完整性，并找到不需要的材料區(qū)域（退化設(shè)計(jì)）。（6）根據(jù)定義的要求測(cè)試每個(gè)有限元的剛度、柔度、應(yīng)力、撓度，確定多余的材料區(qū)域。（7）最后有限元分析將各個(gè)有效部件單元整合在一起，組成設(shè)計(jì)終稿，即拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)件。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析拓?fù)滠浖?yīng)用實(shí)現(xiàn)流程，參見(jiàn)圖5-1-7所示：圖5-1-7經(jīng)典拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)步驟圖任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析4.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)制造的優(yōu)缺點(diǎn)。（1）優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)化設(shè)計(jì)——大多數(shù)時(shí)候，產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要平衡各類因素，并確定最佳的設(shè)計(jì)解決方案。有限元分析由于其可以提前考慮各類因素，所以可以極大程度上避免設(shè)計(jì)失敗的可能性。材料使用的最小化——拓?fù)鋬?yōu)化最亮點(diǎn)的地方就是在于其可以減少不必要的重量。特別是在航空領(lǐng)域，每增加一克的配重就會(huì)增大巨量成本，更輕的重量和更小的尺寸也就意味著更少的能耗。具有成本效益——拓?fù)鋬?yōu)化可以最大限度的減少材料的使用和成本。拓?fù)鋬?yōu)化產(chǎn)生的許多復(fù)雜的幾何形狀會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)制造工藝變得“難以實(shí)現(xiàn)”，但是當(dāng)增材制造技術(shù)越發(fā)成熟，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也變得相對(duì)容易。減少對(duì)環(huán)境的影響——由于拓?fù)鋬?yōu)化能夠最大限度的減少材料的使用，所以其可以被定義為可持續(xù)設(shè)計(jì)（綠色設(shè)計(jì)制造）。（2）缺點(diǎn)：成本提高——因?yàn)榇蠖鄶?shù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)只能適用于3D打印，所以跟一般傳統(tǒng)制造方法相比，成本并不能減少太多。強(qiáng)度降低——在某些情況下，減少材料的用量也就意味著結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度無(wú)法跟優(yōu)化之前的結(jié)果完全等同，需要經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析5.鋁合金材料的主要特性。

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、塑性好、易于成形、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，在非民用的領(lǐng)域，廣泛用于制作飛機(jī)構(gòu)件（蒙皮、框架、翼梁等）。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中，鋁合金約占50%-80%，成為航天航空工業(yè)的主要材料。在民用工業(yè)中，鋁合金應(yīng)用的領(lǐng)域主要是：建筑和結(jié)構(gòu)，容器和包裝，交通運(yùn)輸以及電導(dǎo)體。在兩輪摩托車上，近年來(lái)推出的車型不斷向高馬力重量比發(fā)展，至于改裝零件、賽車零件市場(chǎng)，鋁合金制的產(chǎn)品更是比比皆是，很多諸如升高腳踏、車把、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等，都是以高性能鋁合金作為原材料制作而成的。4.鋁合金材料SLM打印的工藝特性

鋁合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋁合金的特性增加了選擇性激光熔化制造的難度，如易氧化、殘余應(yīng)力、空洞缺陷和致密性等問(wèn)題較為突出。此外鋁合金粉末密度低，容易揚(yáng)塵，存在空氣爆燃危險(xiǎn)。這些問(wèn)題主要通過(guò)嚴(yán)格保護(hù)氣氛、提高激光功率、降低掃描速度等措施來(lái)改善和解決。目前，Al-Si-Mg系合金是SLM成型鋁合金的主要材料，代表性的有AlSi10Mg和AlSi12。AlSi10Mg粉末的特點(diǎn)是流動(dòng)性好，球形度高，氧含量低，衛(wèi)星粉少，松狀密度和震實(shí)密度高。顆粒分布有15-53um、20-63um、20-70um、50-150um。可用于航空航天、模具、汽車、醫(yī)療器械等的3D打印金屬粉末。硅或鎂的結(jié)合使鋁合金更堅(jiān)固、更硬，使其適用于薄壁和復(fù)雜幾何零件。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析三、現(xiàn)場(chǎng)條件分析表5-1-2現(xiàn)場(chǎng)條件分析表打印工藝類型SLM激光融化工藝打印材料類型鋁合金AiSi10Mg打印機(jī)品牌型號(hào)YLM-150材料規(guī)格粉末粒度15~53μm設(shè)備最大打印尺寸Ф150*60后序處理去應(yīng)力退火、線割、銑床、鉗工切片軟件3DXpert表面處理類型噴砂處理任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【工藝方案制定】一、工藝路線分析

客戶提供的模型數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后要生成仿真力學(xué)測(cè)試報(bào)告，報(bào)告要會(huì)同客戶確認(rèn)。被確認(rèn)好的模型數(shù)據(jù)，要進(jìn)行減材工藝余量考量，對(duì)需要進(jìn)行機(jī)械加工的部位都要留取適當(dāng)余量。當(dāng)模型數(shù)據(jù)修調(diào)完成后，即可傳入切片軟件進(jìn)行編程。然后將后置出來(lái)的程序傳入設(shè)備執(zhí)行打印。完成后一體取下工件和打印基板，清粉后整體進(jìn)行去應(yīng)力退火。摩托車支架先要去應(yīng)力退火和噴砂處理，然后再進(jìn)行減材加工，加工部位主要是三對(duì)支撐孔，以及圍繞三對(duì)支撐孔周邊的平面加工，主要涉及到數(shù)控銑加工和線切割加工。綜合現(xiàn)場(chǎng)條件，本著確保質(zhì)量、方便高效、安全節(jié)能的工藝編制原則，確任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析圖5-1-8工藝路線圖定如下工藝路線，如圖5-1-8所示：任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析二、制定工藝方案（表5-1-3）班級(jí)：工藝過(guò)程卡片產(chǎn)品型號(hào)

零件圖號(hào)

產(chǎn)品名稱摩托車零件名稱摩托車支架加工數(shù)2材料牌號(hào)鋁合金AiSi10Mg材料形態(tài)粉末制件體積

預(yù)估用時(shí)

預(yù)估耗材（克）

工序號(hào)工序名稱工序內(nèi)容車間工段設(shè)備工藝裝備工時(shí)準(zhǔn)終單件01模型分析與優(yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化原始模型微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的模型進(jìn)行仿真力學(xué)測(cè)試，并生成測(cè)試報(bào)告微機(jī)室

NX軟件

會(huì)同客戶進(jìn)行溝通確認(rèn)會(huì)議室

計(jì)算機(jī)打印版報(bào)告

檢查模型尺寸，設(shè)置減材加工工藝余量微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

02切片編程模型導(dǎo)入切片軟件微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

調(diào)整模型擺放微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

表5-1-3工藝過(guò)程卡任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析二、制定工藝方案（表5-1-3）

設(shè)置激光掃描策略和激光參數(shù)微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

執(zhí)行切片，后置程序微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

對(duì)模型進(jìn)行支撐設(shè)置微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

03實(shí)施打印穿戴好工裝，做好安全防護(hù)，牢記安全操作規(guī)程增材車間

金屬打印機(jī)工裝、面罩、吸塵器、毛刷

進(jìn)行金屬打印準(zhǔn)備，檢查設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)是否正常增材車間

惰性氣體機(jī)、激光冷卻機(jī)、抽氧風(fēng)機(jī)、金屬打印機(jī)制氮機(jī)、冷卻機(jī)、抽氧風(fēng)機(jī)

制備惰性氣體，