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结合增材制造思维的正向设计案例分析 

2020-07-07 21:57 发布

3D打印行业研究 /[研究] /原创 林传春
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结合增材制造思维的正向设计案例分析
2020年5月25日 作者:林传春

目前国内普遍将3D打印应用于产品的原型阶段,产品设计并没有根据3D打印的特点发生改变,而在应用的更高层次,包括“零部件组合优化” 、 “拓扑优化工业再设计” 、以及以“创成式设计”为代表的DfF(面向功能实现)的全新设计,可以称为“以增材思维为核心的先进设计”,是一种面向正向设计体系的思维和能力。这种能力是中国工业未来十年必须建立的能力。”3D打印对所占用的材料成本更加敏感,而对设计的复杂性并不敏感,也就是说3D打印适合制造复杂形状的产品,包括一体化结构、仿生学设计、异形结构、轻量化结构、薄壁结构等。

笔者作为多年运用增材思维设计的设计师,对以上想法感同身受。3D打印以其结构设计的自由性,给设计师的结构设计提供更多的发挥空间。不仅降低产品设计难度,还提升产品的设计功能指标。在公开案例中,多以航空航天领域中实现功能高要求、设计结构复杂的关键性部件,如燃油喷嘴,散热控制等,但这些结构属于单一功能实现的静态性结构,而非运动性结构。本文将结合笔者多年来应用3D打印思维,设计机械运动类部件的相关实战经验和案例,给大家展示结合增材制造思维做机械结构部件的正向设计的思维模式和设计流程。希望对大家有所帮助。

一个产品或者零件在正向设计的过程中,有一个标准的设计流程指导,能够帮助设计师高效率的思考零件的设计要点,计算相关尺寸参数,并核对设计点是否完成,使得产品原型以最少的迭代次数,甚至一次验证就实现产品设计定型。

下面,笔者以某种笛卡尔XYZ坐标系运动类设备上的 X轴3D打印运动主部件的设计来向大家说明,正向设计是如何与增材思维组合,实现一个零部件的设计。本文将设计流程分以下四个章节进行讲解。

一  机械电子配件选型
二  结构分析与设计要求
三  结合传统制造方法做零件设计的问题
四  结合增材制造做零件设计的思维


一  机械电子配件选型

功能要求直接决定机械和电子的配件选型,在机械运动性结构设计中, 快速确定符合功能的配件选择,需要设计师常年经验积累。所以,配件选型是衡量设计师专业水平的核心能力之一。由于电子部分涉及总体电路系统设计与选型,不属于本文核心阐述内容,在这里我们重点讲解机械配件选型。

A 结构功能总体分析
该部分属于典型的笛卡尔坐标类机械设备设计中X轴运动结构,由于该类型的机械设备,其机械误差累积是XYZ 3个运动方向的机械精度组合,单轴方向的精度提升对整体机械结构的精度提升都有巨大的意义。

B 配件选型
在该方案设计中,综合成本,精度,负载等诸多因素考虑,选用保证精度的机械配件为2根直径8mm的直线光轴和长度为45mm的直线轴承。

C 对零件设计的核心功能分析
1 x轴挂载的功能部件越轻,其运动惯性越小,工作时,运动的精度越高。
2 功能部件的宽度越小,在满足行程的情况下,机械结构整体框架尺寸也就越小。

D 性能评估与“闭环”设计
设计师在设计初期对实现性能进行预估,或者根据以往经验进行推算预估,有助于对后续设计的步骤一一对照,确认是否符合最初的设计要求,实现“闭环”设计。养成每个局部设计符合预估要求的“闭环”思考习惯,避免因局部设计缺陷影响整体设计性能的问题发生,导致不必要的二次迭代,这是很多设计师产生不必要的迭代设计的根本原因。有时候,在产品设计前对相关性能参数做明确规定。此种情况下,性能的评估和上面的选型步骤等均按照设计前规定好的功能参数来选择和分析。

在本设计中,根据经验,在挂载小于500g,最大运动速度在80mm/s以及工作运动行程320mm的情况下,考虑运动振动等因素,初步评估其机械运动精度在0.05mm以内。


二 结构分析与设计要求

由于我们所设计的是运动类部件,对结构的运动干涉分析和结构稳定性分析等至关重要,同时还要考虑设计完成后达到的目标是什么。

对X轴3D打印主部件,部件功能结构的要求分析如下:

1  固定直线轴承,保证两个直线轴承的平行度和固定稳定性。
2  固定加热头,结构上要避免其高温部分接触打印件造成零件的损坏,保证长期使用的可靠性。
3  固定3个散热风扇,并给散热风扇专门设计通气通道,保障气流的流畅和散热的冷却效果。
4  固定传动的皮带,并实现“双向固定”。即X轴运动方向通过机械结构实现快速切换的功能。
5  该部分运动到归零位置的时候,能够与限位开关匹配,实现归零的功能。
6  电路板的固定,与该部分相关的5个电子部件(加热棒、测温电阻、主散热风扇、模型散热风扇)接在集成电路接口板上。
以上6点是与结构和电子选型配件相关的功能要求说明,在设计上满足了以上功能的布局后,以下6点就是关键的设计优化性指标:

1  高强度——保证相关零配件很好的固定在结构框架件上,工作时不会松动或者振动,影响工作质量。
2  轻量化——整体部件重量要尽可能的轻.,减少运动惯性,以此提高运动速度和保障运动精度。
3  紧凑性——整体的宽度要尽可能的窄,以增加运动的行程范围,运动部件的紧凑设计对整体机械结构的尺寸起到了关键的作用。
4  一体化——用来固定相关选型零配件的设计件尽可能的一体化,提高结构强度,减少零件数量。
5  易装配——按照标准的安装方法,相关部件都能易于安装,不会出现某些部分由于结构的紧凑导致装配困难问题。
6  维护性——在单个相关配件出现问题的情况下,能够以最少的拆卸步骤实现部件的更换。

以上6点结构分析和6点设计指标要求,是设计师必须考虑到的问题,这些问题是正向设计在进入制造实现阶段前需要考虑的问题。


三 结合传统制造方法做零件设计的问题

如果设计师使用一些传统的加工制造方法,以传统的制造设备实现零件生产,钣金结构件和CNC金属切削加工是实现该类设计的主要选择。零件特点必然需要导致大量的螺丝紧固件的使用,来紧固结构形成一体的部件,这导致了诸多问题产生。

1  设计上考虑的加工因素多样,设计难度大;
2  加工验证时间周期长;
3  最后设计制造出来的部件重量大,运动惯性大,精度差;
4  结构不紧凑,占用空间大;
5  分体设计带来的大量的紧固工作会导致工人装配工作量和难度的增加,人力成本增加;
6  维护性差,单一部件更换需要耗费大量的人力时间;

以上是使用CNC和钣金结构件制造的形式所产生的问题,而如果构件以塑料模具制造的方式设计,那么结构的轻量化,紧凑性,一体化就可以实现,但是设计师就需要掌握适合开模的结构设计技巧,加工模具和量产的时间周期更长,成本高昂。

从这里我们可以看出,以传统制造思维来实现复杂集成性结构设计,需要花费大量时间,精力,资金成本,且性能受限。下面我们来看增材制造思维是如何来帮助正向设计,实现省时省力省资金的产品设计。


四  结合增材制造做零件设计的思维

在笔者看来,增材思维就是考虑以增材制造的方式实现产品设计、生产的思维模式。具体在零件设计时,则可以拆分成以下几点,灵活的应用在具体零件设计的过程中。

1 功能优先思维
3D打印可以实现任意的结构 ,所以零件复杂与否不重要,优先考虑以下内容(可按顺序建模实现)

2 最优功能布局设计
对于结构设计而言,重要的一点是关键部件的相对空间位置问题:将其各种配件模型在数字化建模软件里进行合理的布局。确定各种配件的相关空间尺寸,这需要大量的空间位置计算。对于多部件固定性零件设计而言,设计师需要“脑补”后续装配时,可能因为本身布局原因就会产生组装干涉,运动干涉,维护是否方便等问题。所以,关键部件的相对空间位置布局,是衡量结构设计师水平的关键因素之一。

3 强度设计——强度适应性设计原则
在确定布局的前提下,我们就可以来设计具体的连接性结构,这里的强度适应性设计原则
简单解释,就是“哪里需要强度,哪里设计厚一些”。在需要高强度的地方通过大壁厚设计增加强度,最后出来的一体化部件,就可以初步实现轻量化设计的目标。

对于轻量化设计要求高的零部件,可考虑采用拓扑优化的方式,将大块的连接性结构,通过拓扑优化的软件,直接优化成最优结构解,然后根据结果做参考建模的依据,进行二次优化建模,得到的零件就可以符合强度设计的要求。

对于一般固定结构,没有必要做拓扑优化设计的情况下,可采用匹配强度的壁厚组合的的设计方法,

对于固定性结构设计而言,壁厚多少与强度成正比。基于此原理,我们可以结合具体使用材料,以不同方向,打印不同厚度得到不同强度值的标准参数,来设计相关位置的壁厚,保证该部分有足够的强度,在笔者总结的“林3S原理”中,总结记录了不同材料,不同壁厚,不同打印方向对强度影响的关键性参数,有需要的朋友可以直接联系笔者交流学习。以“哪里不够补哪里”为基本原则,将零件固定位置逐渐连接到一起,强度设计问题也迎刃而解。接下来就是通过圆角倒角的方式做好强度过渡的处理,形成一个壁厚设计合理,强度分布匹配功能要求的基础零件。

1  分层思维
我们都知道,3D打印是分层累积堆积而成的。这样的分层制造原理,也决定了其在强度分布上与层有着密不可分的关系。一个圆孔平躺着切片打印和垂直切片打印,其强度,精度等都会受到很大影响。对于悬空结构,和带角度结构,还存在支撑的问题。这也是3D打印独有的工艺性问题。在笔者总结的“林3S原理”中,总结记录了典型机械结构的3D打印工艺性设计要点以及关键位置在做公差配合设计时,合理的公差值是多少。在满足了前面的功能布局和强度设计的要求下,考虑3D打印分层制造的工艺特点,能够让设计出来的零件同实际制造出来的零件,尺寸和强度更符合预期的目标。


2  无支撑设计思维
如果把功能优先思维和分层思维比作房子的基础装修,那么,无支撑设计思维则算是一个“精装修”的过程。该步骤就是在满足强度和精度的情况下,如何细微调整现有的结构设计,在满足功能,强度,精度等要求的前提下,使得产生的支撑接近于0的设计。最为大家熟知的是“任何位置相对底面大于45度”的角度法则,其深入骨髓的灵活运用能够让结构产生的支撑最小,在笔者总结的“林3S原理”中,总结记录了更多的典型机械功能结构的无支撑设计技巧和注意事项,以帮助设计师优化结构的局部设计,实现设计最优解。

在笔者设计的该X轴部件设计中,首先确定了相关配件的布局设计,壁厚的设计选择了 2mm/3mm/5mm的3个强度梯度进行设计,结合固定位以“加法”的方式设计,完成了大部件一体化设计的目标。其次考虑分层方向和支撑生成的问题,对零件进行细节优化

包括大量倒角圆角的运用,无支撑结构设计等。最后对相关设计功能,一一核对之前的功能说明和设计预估,待确定以后,完成了该零件原型的”闭环”设计。
通过打印验证,该零件的相关尺寸,强度和精度均和预估相符合,一次性实现原型的功能开发。
通过对上文的阐述,这里对衡量设计师水平的关键能力做以下总结;

1  确定符合功能的配件选择
2  根据功能对设计要点的详细分析
3  关键部件的相对空间位置布局
4  合理的强度计算与设计
5  对制造工艺的充分理解和运用——制造思维
6  对局部设计逐一核对的闭环设计思维

写到这里大家可以看出,像这样的高度复杂的一体化设计部件,需要考虑的因素众多,
需要积累大量的设计经验,才能完成结合增材思维的正向设计。如果局部功能结构中,存在一些制造效果分析,自己没有把握的地方,则可能需要单独出来打印验证,而不用整体全部打印,这样可加快产品的迭代。

笔者在之前发表的《国内制造企业如何融入面向增材制造的设计?》文章中也提到了功能融合设计法的概念,其实也就是将积累的功能性结构设计通过设计上的加法,实现功能组合。本文则是从更为具体的实际设计层面,分析设计思路和需要考虑的问题点,也希望此文能对大家的产品设计有所帮助,结合提供的思考流程,顺利的完成适合于增材制造的产品开发。

作者在3D打印行业从业多年,一直在3D打印技术方面以DfAM的设计思维做设计实践运用,立志推广3D打印技术的运用。欢迎添加个人微信交流学习。

本文为特约作者:林传春 授权3D打印资源库发布,版权归原作者所有。文章系作者个人观点,不代表D打印资源库立场。如需转载请联系原作者,如有任何疑问,请联系[email protected]

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