航空发展新趋势——增材制造

随着航空业的高速发展和迭代，高速、高机动性、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻的条件对飞机结构设计、材料和制造提出了更高要求。增材制造技术由于能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形，成为应对飞机及航空发动机领域技术挑战的最佳新技术途径。

对于航空包含的多种高性能精密零部件来说，增材制造技术的引入和使用大大降低了传统成型上的难度，减少大量焊接、组装等工序，同时也可以更好的驾驭自由曲面的复杂加工。凭借对于材料、工艺以及设备的数据管理，海克斯康持续推动全连接的增材制造流程透明度和工作流整合。针对航空业的增材制造，海克斯康已深入材料数据管理、拓扑优化、工艺仿真优化、物理特性验证以及3D打印后的成品几何量验证这些重点环节。此外，值得一提的是最新推出的MSC Apex创成式设计。MSC Apex创成式设计可以自动生成满足用户定义的目标、标准和约束的多个需求的设计过程，并通过多种方式完成，生成多个符合用户定义的期望的设计候选。

增材制造技术以其拓扑优化的减重优势极为适用于航空结构零件制造。但制造成本和打印时间成为了增材制造被大规模投放使用的制约因素。因此，在使用增材制造设计航空件时需要考虑和优化整体的制造成本和打印时间。MSC Apex的创成设计中增强了对增材制造零件设计优化和工艺优化，还增加了有关打印数量的成本预算模型，连接起设计和制造之间的鸿沟，使增材制造才能成为一种可持续的制造方法。

1.逆向工程获取三维数模：通过光学扫描或拍照技术获取点云创建航空零部件三维几何数模。

通过3D光学扫描或拍照技术进行逆向，可快速捕获航空零部件点云数据，将点云转化为网格，再由网格生成光顺的曲面模型，即可快速创建所需了航空零件的三维几何量定义。

2.拓扑优化：针对设计航空组件的特殊性能要求进行约束分析，得到优秀的创成式设计结果。

增材制造可直接打印出复杂结构的航空组件，在减少工序的同时为轻量化开辟了一条新思路。其中拓扑优化是基于外力、约束条件条件下对设计进行材料削减的迭代优化过程。海克斯康MSC Apex创成式设计作为第一个用来弥补设计和制造之间差距的工具而开发，其高效智能的拓扑优化过程只需要用户在定义设计空间的目标、标准和约束时进行干预，最高可将增材制造部件的重量降低 70%。MSC Apex创成式设计考虑到零件与结构组装配合性能，刚度变化时载荷对其他结构零件的重定向等。MSC Apex创成式设计最大的特点是自动生成分析模拟过程，且同时考虑到3D打印制造的可行性。最终生成了几个符合用户定义的期望的设计候选，可供进一步分析与最优筛选。

3.设备与材料选择：通材料数据管理工具（如MaterialCenter）获取实验数据，计算出所需的材料模型参数进行模拟，并最终控制生产过程中的所有材料性能。

航空轻量化一直是新机型研发的重要目标之一，除了优化设计外新型材料的研究是另一个重要方向。 MSC MaterialCenter是面向现在和将来材料数据及过程管理需求的完整解决方案。它能管理从实物试验到各种设计许用值的整个材料流程。MaterialCenter有完整的可追溯性，将增材制造带入了新的高度。它还提供了全面的工作流程工具，能够采集从概念设计到最终构建阶段的每一步制造流程。

4.工艺优化与零件性能验证：对航空零件制造工艺进行仿真，模拟预测整个过程链中零件的变形和行为，优化过程步骤。同时，可对优化后零件进行物理性能验证，确保在设计在3D答应之前消除所有错误。

在打印制造航空部件时，材料的应力变形与回弹等问题往往是加工过程中的难题，实际打印中进行补偿与调整往往会占用过多时间和加工原料，影响成本与生产周期。所以制造工艺模拟与优化可以快速高效的得到一个合适的调整参数，大大减少物理式样的数量。

MSC Apex创成式设计等设计解决方案可与Digimat AM或Simufact Additive的虚拟制造仿真相连接，设计可以在产品开发阶段早期考虑到工程和生产阶段的挑战。虚拟制造仿真作为一个数字孪生体，用于确定最佳的打印工艺，优化零件的定位和制造工艺。在选择合适的候选对象并迭代制造仿真时，从可制造性、权重和成本等方面选择了最理想的设计方案。

后外，后续还可利用MSC-Nastran或Marc，对增材制造工艺链的模拟结果进行几何结构的验证，如有限元力学分析、装配刚度和行为等，确保其优化设计的可制造性和性能得到验证。

5.一次性成功打印：利用CAM软件中的增材加工功能，可实现增材制造与金属切削同步加工，进一步实现一次性成功打印。

海克斯康率先在CAM软件中增加了增材加工（3D打印）功能，完美支持具备粉末冶金功能的数控机床，可实现增材制造与金属切削同步加工。这一方案可以加工更复杂结构的零件，有利于零件定制化生产，能够加工传统金属切削方式无法加工到的地方。

6.质量验证：采用先进测量技术获取3D打印零件实际数据，与CAE软件预测优化产品零件模型进行对比验证。

3D打印的复杂结构件是否合格还要进行最终的检测，海克斯康有丰富的光学检测系统和可视化CT（计算机断层扫描）检测系统，可从内外部对打印零件的三维特征进行扫描检测 。

增材制造已从快速样机处理成长为一系列先进技术，为全球越来越多的企业、政府机构及个人客户所采用。而发展的同时也伴随着诸多难题，海克斯康在复杂零部件增材制造领域不断探索更先进的求解技术，不仅涉及到增材制造产品整个开发生命周期（设计、开发、仿真/样机构建、试验、售后性能及质量检测）的各个阶段，还涵盖了从概念到维护过程中涉及的全部材料/机器设备/工艺/制作鉴定等过程，不断致力于为客户打造创成式智能增材制造解决方案。