首屆全國技能大賽增材制造賽項拓撲優化方案分析

張莉娟

（東營市技師學院，山東東營 257091）

0.引言

世界技能大賽是最高層級的世界性職業技能賽事,每兩年舉辦一次,被譽為“世界技能奧林匹克”。增材制造項目是第46屆世界技能大賽新增項目，增材制造是工程領域中最新，發展最快的分支之一。融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術、以數字模型文件為基礎，通過軟件與控制系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。相對于傳統的、對原材料切削去除、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變為可能。如今，增材制造已應用于所有重要行業，例如能源、交通、航空航天、機械工程等。作為世界技能大賽新增項目，在首屆全國技能大賽中增材制造項目主要分為4個模塊，在比賽中主要考查選手的3D掃描、逆向工程、產品拓撲優化、產品金屬、非金屬打印、打印成品NC加工后處理等技能。

1.試題分析

本次比賽的試題模塊一為對民用飛機登機門鉸鏈進行拓撲優化后使用增材制造的方法實現減重30%～50%，同時滿足使用要求。模塊四為金屬打印件后處理，對模塊一打印完成的鉸鏈進行后處理，主要為打印件與基板分離、去支撐及切削加工，以保證完成鉸鏈的正常裝配。如圖1所示，件02加工參考圖紙所示，鉸鏈配合安裝銷孔兩側平面與底座左側面有平行度要求，銷孔軸心與底座后側面有平行度要求，銷孔直徑、銷孔軸心到底座前端側面及底座底面有尺寸精度要求。件03與件02通過銷軸連接進行配合，為保證兩件的正常裝配安裝及使用，其后處理加工同件02的后處理加工要求基本相同，其用于鉸鏈配合安裝的銷孔兩側平面與其底座左側面、銷孔軸心與其底座后側面有平行度要求；銷孔直徑、銷孔軸心到底座前端側面及底座底面有尺寸精度要求。

圖1 件02加工參考圖

2.拓撲優化方案分析

拓撲優化是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。相對于尺寸優化和形狀優化，具有更多的設計自由度，能夠獲得更大的設計空間，是結構優化最具發展前景的一個方面[1-2]。

2.1 試件01的優化分析

件01主要起到連接鉸鏈和門板的作用，在競賽題中沒有明確其受力條件，同時也沒有強制要求必須采用拓撲優化的方式進行減重，因為拓撲優化需要占用較多的比賽時間，所以對于件01我們采用了更節省比賽時間的去料減重方式，內部采用交叉肋板以保證基本強度符合要求，保留配合位置的輪廓尺寸以保證滿足正常的裝配要求。通過這種去料減重優化方式，該件最后優化減重約45.8%，滿足賽題要求。件01優化前后的模型圖2、圖3所示。

圖2 件01優化前的模型

圖3 件01優化后模型

2.2 試件02的優化分析

試件02根據試題給定的受力條件，采用拓撲優化方式進行，我們有兩種優化方案：方案1，只考慮受力條件，在滿足裝配要求的情況下盡可能的減重；方案2，除考慮受力條件外還充分考慮到后處理的尺寸精度及形位公差要求，在進行拓撲優化的時候將件02底座部分四周的輪廓進行了保留處理，這樣就可以保證在后處理CNC加工時該件可裝夾，銑削加工后可測量。兩種方案優化后的模型分別如圖4、圖5所示。最后減重分別為62.2%和55.1%，均能滿足試題要求。但方案1的優化結果給后處理的銑削加工帶來了很大困難，也造成了兩個基準面的丟失，無法保證銷孔軸心到底座前端面的尺寸精度及兩個平行度的行為公差要求。綜上所述我們最后選擇了方案2。

圖4 方案1優化后模型

圖5 方案2優化后模型

2.3 試件03的優化分析

件03優化方案的選擇同件02。所以我們仍然選擇保留了底座四周輪廓，另外按受力情況進行拓撲優化后，后部用于連接銷孔軸的支撐板大部分會被完全優化掉，為保證后處理時銑削加工時裝夾的穩定性，我們在拓撲優化時對該支撐板采進行了部分結構保留的優化方案，具體為采用與水平面夾角50°相互交叉的支撐設計，這樣既可以在減少材料的情況下提供盡可能高的裝夾穩定性，同時與水平面成50°夾角設計又可以避免在金屬打印的時候添加支撐，減少了打印時間和后處理的工作量。最后優化模型如圖6所示，減重61.7%，符合試題要求。

圖6 件03優化后模型

3.總結

完成該試題的時候，結構優化時不能簡單的為了減重而減重，還應充分考慮到打印后處理可行性、以及滿足尺寸精度及形位公差要求，同時也要考慮實際裝配使用過程中的要求。