专栏 l SpaceX 3D打印推力室中的增材制造设计思维和规则

《3D打印与工业制造》一书中谈到:“我们总是陷入将增材制造-3D打印与传统制造方法进行一对一比较的误区,原因在于我们很容易忽略3D打印技术不是在生产和原来一样的零件,而是生产完全不一样的零件,不一样的形状,不一样的材料,不一样的性能。”

正是这些“完全不一样的零件” ,为航空航天零部件的设计创新带来了广阔空间。而突破传统制造思维的限制,遵循一种满足增材制造技术特点和工艺要求的全新设计思路,是激发3D打印技术创造众多“不一样”的重要力量,这一全新的设计思路就是“为增材制造而设计”(DfAM)。

为增材制造而设计最常见的定义是:基于增材制造技术的能力,通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。

在本期专栏文章中,作者以SpaceX 龙飞船3D打印推力室为例,对面向粉末床激光熔化3D打印技术的增材制造设计思维,以及如何利用自支撑结构等特殊设计规则进行了分析。

Space X_1 Space X 3D打印推力室

block 功能要求对结构设计的影响

条件A:推力室本身属于压力容器,需要内部管道能够承受符合工况要求的管道压力分布。对于设计而言,就是需要保证足够的设计壁厚以承受工况压力,结合使用的材料参数,我们可以得出管道的最小壁厚尺寸要求。

条件B:该推力室运用于火箭当中,工作状态中外部环境复杂,核心包括振动影响和高温影响两个方面。对于设计而言,需要选用高温合金材料作为制造的材料,同时结构上,在满足管道压力分布条件下,还需要满足振动抗震性要求,设计上保证高刚度,在极限工况下也能保证推力室的正常工作,结合使用材料参数,我们可以得到符合火箭的极限工况的管道的最小壁厚尺寸要求。

条件C:推力室属于整个火箭动力系统的一部分,与其他部分连接的多个固定结构设计要达到整体对于该零件的强度要求,结合使用材料参数,我们可以得到相关的形位尺寸要求以及安装尺寸要求等。

在理解了功能要求对结构设计的影响以后,我们就可以得到整个零件的基本结构尺寸。包含:关键推力室尺寸、管道位置与长度、 壁厚尺寸,与其他部分的固定安装尺寸、总体大小等。

可以看出,这些设计信息只与设计的材料参数和功能实现要求的力学结构计算有关,与制造无关。在理想条件下,只要按照这些指标做三维设计,就可以保证结构的功能性实现。

block 增材制造工艺做结构的补充设计或调整

该零件使用的制造方式是粉末床选区激光融化(LPBF)3D打印技术。虽然有粉末的支撑,但也需要考虑,分层与支撑生成两个关键工艺点。

工艺A:增材制造是一层一层制造,要保证压力管道受力的一致性,那么在主要受压结构上,需要考虑层的分布问题。对于设计而言就是——成型的方向。火箭的整个动力系统基本处于垂直放置的状态,垂直上受压,所以该零件制造时,放置方向也应该是垂直放置,而不是横向放置。

工艺B:自支撑结构+减重设计的融合

根据零件的放置方向和初步的设计计算得出的形状,能够得知在哪些地方会生成支撑,进而设计固定性结构。

对于管道,有两个方法可来避免支撑的产生:一是对于将本身水平放置的管道在不影响总体功能的前提下,调整到45度倾斜的方式,实现自支撑打印。二是改变管道本身截面形态,将圆形管道改成自支撑性截面,即使水平放置,也不会有支撑产生。

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对于固定结构,连接的法兰盘部分一般壁厚较厚,质量大,以传统设计方式,台阶面还会产生支撑结构,此时需要针对性的做改进,方法如下,但不限于这几种:

1. 大量的倒角圆角运用能够减少支撑的生成,同时保证强度,减少支撑。

2. 变壁厚均匀强度截面设计以满足强度的同时达到减重的设计。这一部分可以单独建模。利用拓扑优化软件,根据受力计算仿真获得优异的等强度截面,并运用到本体的设计中,不用整体所有结构都做拓扑优化。

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以上两步完成以后,对整体的设计细节要求做一遍检查,没有问题的情况下就可以进行制造了。由于这里是属于压力容器相关的设计,对于微晶网格结构的设计运用,以后在其他设计中再做讨论。

block 推力室中的自支撑结构设计

综合以上的方法,我们来看看在SpaceX 3D打印推力室的设计哪些地方运用了自支撑设计的理念方法:

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在这个设计中,第3个是一个很有亮点的设计方式——3级等壁厚三角支撑肋板设计。该设计在倒角的基础上,通过3级等壁厚等腰三角肋板叠加的方式,在倒角的基础上,进一步减轻了重量,同时避免了支撑的产生。一个结构周期包含3个菱形和4个等腰三角形,是一个非常创新性的结构设计,可以减少大面积支撑下的自支撑结构重量,保证强度。某种意义上,这也算是一种网格设计方法。

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block 推力室中的自支撑结构设计验证

以下是基于以上的全部分析,对根据已知的一些条件做了近似设计来验证该结构的设计可靠性。

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将模型转化,放入切片处理软件,可以看到切片的结果,只在末端固定处有少量支撑,考虑到实际设计时,内部复杂管道等,可能还是需要添加支撑,此时可以对产生支撑的局部做微小的设计调整,就可以避免支撑的产生。

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最后在增加了肋筋设计元素以后,以实物打印对比结果来看,已经实现了设计的功能要求,设计工作结束。

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writer林传春

在3D打印行业从业多年,一直在3D打印技术方面以DfAM的设计思维做实践运用。立志推广3D打印技术的运用,希望让更多人感受到3D打印带给人们的价值。

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