基于SolidThinking Inspire的3D打印輕量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

四川長虹智能制造技術(shù)有限公司 四川長虹電器股份有限公司 潘曉勇 劉 勇

四川長虹智能制造技術(shù)有限公司 都方軍

為了促進(jìn)3D打印技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，以工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)大臂為研究對象，開展基于3D打印的輕量化設(shè)計(jì)方法研究。利用SolidThinking Inspire軟件對零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)合UG仿真工具對零件優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分析，并與建模優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究，在滿足零件性能要求基礎(chǔ)上，使零件重量得到最大限度減輕（材料縮減量≥25%）。

0 概述

輕量化研究的目的在于將自身重量降到最低，同時滿足使用約束條件，即不影響原有的功能性、安全性與耐用性。通常有三類降低自身重量的途徑，分別是形狀輕量化、材料輕量化、制造輕量化。（B.克萊恩(德)編.陳力禾譯.輕量化設(shè)計(jì)-計(jì)算基礎(chǔ)與構(gòu)件結(jié)構(gòu)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010）

本文以工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)大臂為研究對象，開展3D打印輕量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，利用SolidThinking Inspire軟件對零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)合UG仿真工具對零件優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分析，與建模優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究。

1 旋轉(zhuǎn)大臂的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)大臂位于工業(yè)機(jī)器人中下段，屬于主受力件，其外形尺寸為560mm*185mm*100mm，材質(zhì)選用316L不銹鋼。零件原始外形如圖1所示：

圖1 原始數(shù)模

1.1 定義設(shè)計(jì)空間及非設(shè)計(jì)空間

首先明確設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間，旋轉(zhuǎn)大臂的兩端端頭為非設(shè)計(jì)空間，中間部位為設(shè)計(jì)空間。在UG中運(yùn)用“拆分體”命令將模型分為三塊，以Parasolid格式導(dǎo)入SolidThinking Inspire，右鍵點(diǎn)擊中間模型，勾選“設(shè)計(jì)空間”，設(shè)計(jì)空間將以深紅色顯示。如圖2所示：

圖2 定義設(shè)計(jì)空間

1.2 材質(zhì)及屬性

316L不銹鋼材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度485Mpa；屈服強(qiáng)度170Mpa；伸長率30%；面積縮減40%；316L不銹鋼的密度7.98g/cm3；硬度為HRB<90 HV<200 HBS<187。具體材質(zhì)選擇如圖3所示：

圖3 選擇模型材質(zhì)

1.3 定義約束及載荷條件

利用載荷/約束模塊對零件進(jìn)行加載約束。在圖4中1處施加約束條件，在2處施加載荷條件（X，Y，Z正向分別施加10000N的壓力）。（徐成斌,等編.SolidThinking Inspire優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2016）

圖4 約束及載荷

1.4 形狀控制

定義零件的對稱面（XZ和XY）和拔模方向（雙向拔模）。

圖5 形狀控制

1.5 定義拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)

按照目標(biāo)要求，設(shè)置剛度的最大化目標(biāo)，質(zhì)量的優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，利用SolidThinking Inspire進(jìn)行分析計(jì)算，具體步驟如下：

b.將剛度最大化選擇為優(yōu)化目標(biāo)。

c.對于質(zhì)量目標(biāo)，請確保從下拉菜單中選中了設(shè)計(jì)空間總體積的%，并且選中30，表明生成的形狀占設(shè)計(jì)空間總材料的30%。

d.在厚度約束中，將最小更改為20mm。（鐘繼萍,陳春梅,常亮.Solidthinking Inspire在機(jī)械產(chǎn)品升級優(yōu)化中的應(yīng)用[J].智能制造,2016(6):31-33）

圖6 參數(shù)設(shè)置

1.6 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

點(diǎn)擊窗口下端的“運(yùn)行”按鈕，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。最終優(yōu)化完成的結(jié)果如圖7所示，保存優(yōu)化結(jié)果為STL文件。

圖7 優(yōu)化結(jié)果

1.7 模型重構(gòu)

打開UG NX軟件，新建一個文件，導(dǎo)入拓?fù)鋬?yōu)化的STL文件，以旋轉(zhuǎn)大臂頂部為基準(zhǔn)面建立草圖，繪制拓?fù)鋬?yōu)化形狀，最后拉伸裁剪，得到最終模型，如圖8所示。

圖8 模型重構(gòu)

2 試驗(yàn)分析

2.1 模型試制

開展模型試制的目的在于驗(yàn)證增材制造可靠性以及重量關(guān)系，因而將三維數(shù)據(jù)按照1:2.5進(jìn)行縮放，選用ABS-M30材質(zhì)，使用Tratasys Fortus 360mc 3D打印機(jī)進(jìn)行模型試制。

通過對三個模型的試制研究，發(fā)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)據(jù)通過3D打印技術(shù)完美呈現(xiàn)，如：臺階清角、高自由度曲面等細(xì)節(jié)，圖9所示從左到右分別是原始模型、建模優(yōu)化模型、拓?fù)鋬?yōu)化模型。

圖9 試制模型

通過統(tǒng)一計(jì)秤確定三個實(shí)物模型的試制重量，分別是原始模型360.0g、建模優(yōu)化模型246.1g、拓?fù)鋬?yōu)化模型250.1g，如圖10所示。建模優(yōu)化使材料縮減量達(dá)到31.6%，拓?fù)鋬?yōu)化使材料縮減量達(dá)到30.5%，兩種優(yōu)化方式的材料縮減量都大于25%。

圖10 縮放后的質(zhì)量對比

圖11 建模優(yōu)化的靜力分析

圖12 拓?fù)鋬?yōu)化的靜力分析

圖13 建模優(yōu)化的位移分析

2.2 模型分析

把建模優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行UG載荷仿真分析，得到強(qiáng)度分析結(jié)果和變形位移分析結(jié)果。

強(qiáng)度分析：對兩個數(shù)模進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖11和圖12所示，其最大應(yīng)力在圖中顯示紅色區(qū)域。建模優(yōu)化的最大應(yīng)力為103.27Mpa，拓?fù)鋬?yōu)化的最大應(yīng)力為81.50Mpa。

變形位移分析：對兩個數(shù)模進(jìn)行應(yīng)變分析，結(jié)果如圖13和圖14所示，其最大變形在圖中顯示為紅色區(qū)域。建模優(yōu)化的最大位移為0.744mm，拓?fù)鋬?yōu)化的最大位移為0.734mm。

圖14 拓?fù)鋬?yōu)化的位移分析

根據(jù)材料力學(xué)定義，塑性鋼材的許用應(yīng)力[δ]與屈服強(qiáng)度極限的關(guān)系：

[δ]=δs/n

δs-屈服強(qiáng)度極限，根據(jù)機(jī)器人使用環(huán)境采用316L鋼材，其屈服強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度170Mpa。

n-安全系數(shù)，通常塑性材料的取值范圍為1.2-2.5，本文根據(jù)零件應(yīng)用環(huán)境和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定安全系數(shù)為2。

δ-許用應(yīng)力，塑性材料的許用應(yīng)力通常以屈服極限為基準(zhǔn)，使結(jié)構(gòu)變形處于彈性范圍之內(nèi)，其強(qiáng)度可靠性則通過安全系數(shù)予以保障，通過計(jì)算得到316L鋼材許用應(yīng)力為85Mpa。

通過報(bào)告數(shù)據(jù)及公式推演得到對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 對比數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通過對模型試制研究，發(fā)現(xiàn)建模優(yōu)化使材料縮減量達(dá)到31.6%，拓?fù)鋬?yōu)化使材料縮減量達(dá)到30.5%，兩種輕量化設(shè)計(jì)都能使產(chǎn)品材料縮減量≥25%。通過對模型仿真分析研究，發(fā)現(xiàn)建模優(yōu)化的最大應(yīng)力超出許用應(yīng)力，而拓?fù)鋬?yōu)化的最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。最終確定拓?fù)鋬?yōu)化的3D打印輕量化設(shè)計(jì)，不僅使零件重量得到最大限度減輕，還滿足零件性能參數(shù)要求。