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Origin 与 nTopology 和 Stress Engineering Services 合作,为美国空军重新设计战斗机部件

Origin 与 nTopology 和 Stress Engineering Services 合作,为美国空军重新设计战斗机部件

2021-09-09 11:23

Origin 团队参加了美国空军先进制造奥运会批准冲刺,以快速设计、鉴定和部署增材制造的 F-16 战斗机替代聚合物部件。

挑战:为美国空军的 F-16 飞机机队生产更坚固、更耐用的液压线夹

每年,美国空军的快速维持办公室 (RSO) 都会举办五项技术挑战,参与者提出创新的工程解决方案,以帮助空军保持飞机高空飞行并帮助他们实现机队现代化。OriginnTopology 和 Stress Engineering Services 合作开展了 RSO 先进制造奥运会审批冲刺挑战项目,其中团队开发了工程解决方案,以帮助空军维持其机队和基础设施。

Origin 及其合作者专注于 C3175 系列液压钳。空军在其 F-16 飞机机队中使用了数千个这样的液压管夹,它们在长时间暴露于振动、化学环境和热循环后经常失效。从历史上看,除了具有较长的生产周期和昂贵的价格之外,这些夹具是由一种可以排出有毒甲醛的材料制成的。

Origin 的团队专注于改进 F-16 起落架腔中的 C3175-9J 夹具的性能。面临的挑战是利用现代设计、分析和增材制造 (AM) 方法的能力,在不增加重量的情况下生产更坚固、更耐用的零件。

该团队在内部验证了由此产生的部件:Origin 的尖端 3D 打印技术、nTopology的拓扑优化算法以及Stress Engineering Services的设计和分析专业知识相结合,产生了一个 C3175-9J 部件替换设计,该设计超越了重量更轻、可制造性更好的原始零件。该团队在 25 天内设计、分析、选择材料、制作原型并生产零件。

设计新零件

该团队使用假定的材料特性对 C3175-9J 夹具的原始 1966 几何形状进行逆向工程,并反向计算原始设计的最大限制以用作重新设计的目标。使用实时分析和模拟以及全面测试,该团队迅速完成了设计过程。他们研究了疲劳、液压管路上的抓地力、拉出断裂力、安装技术、振动和材料强度等方面,并生成了 30 多个高质量选项。

该团队执行仿真分析、采用拓扑优化、使用工程设计直觉,并解析测试结果以迭代每个设计。nTopology 的 nTop 平台用于优化过程中的结果并使设计达到最终形式。

设计方法结合了传统和前沿设计方法。在传统方面,团队开始使用 SolidWorks 等计算机辅助设计 (CAD) 工具,将基本几何设计特征(工字梁形状的上下翼缘、工字梁腹板、加强支柱、圆柱孔和椭圆管夹紧面等)。

创建初始几何体后,该团队随后通过 Stress Engineering Services 之间的密切合作,实施了 nTopology 软件平台的强大仿真和拓扑优化功能以及 Origin(加利福尼亚州旧金山)的世界级增材制造能力, n拓扑和起源。这种技术和工具的组合允许充分利用 AM 提供的设计自由,以实现针对增材、可快速制造且易于安装进行优化的单部件组件。

选材

团队中的聚合物材料专家为多材料部件选择了两种候选材料:火焰、烟雾和毒性 (FST) 级热固性光敏聚合物材料,具有阻燃性和耐化学性,可以处理宽温度范围的温度 (Henkel 3955 ),以及具有更大柔韧性的弹性体 (Henkel IND402)。最终的夹具半部使用 3955 进行 3D 打印,并使用紫外线照射进行后固化。

汉高 3955 是一种热固性聚合物材料,在此飞行应用中的性能优于由机械加工酚醛树脂或注塑尼龙制成的原始零件。汉高 3955 避免了热塑性材料固有的应力松弛行为,具有更高的强度和刚度,耐化学环境,与喷气燃料和液压油兼容,并且具有阻燃性。第二种材料 IND402 用于 Origin 独特的多材料打印工艺能力,以连接两个半夹子,起到系绳的作用,并将螺钉固定到位以进行最终组装。

使用 Origin One 打印

Origin 的多材料打印功能允许在一次构建中打印两种材料:连接两个半夹具并将安装紧固件预先定位在其中一个半夹具中的柔性弹性体系绳。系绳与夹子组件以相同的构造印刷,并牢固地粘附在夹子的顶面上,但可以在飞行前轻松移除。它允许在空间受限的工作条件下用一只手更轻松地安装夹具,因此零件不太可能掉落或丢失。

将三个部件组合成一个组件可简化库存跟踪并极大地方便安装,单手安装所需的时间约为安装原始夹具组件的时间的一半。每个组件还在打印期间进行序列化,以用于零件库存、可追溯性和零件来源。

Origin的3D打印工艺可以在 24 分钟内每批次生产 54 个半夹具。使用一台打印机一天可以打印 1,296 个半夹钳。构建批次的后处理可在大约 20 分钟内完成。

测试和最终产品

100 项测试着眼于安装、管道固定、温度影响容差、惯性载荷和搬运载荷。最终,该团队打印了 400 多个零件,以及用于功能测试的定制测试夹具。

F-16 飞机上使用的 C3175-9J 的最终优化夹具设计的强度大约是原始部件的两倍,重量减轻了约 5%。

另一个有价值的成果是该团队的快速设计-制造-鉴定方法,它不仅适用于 C3175 系列液压钳,而且适用于可以使用与该项目相同的先进设计和制造技术生产的任何其他部件。nTop 平台可以为零件系列的任何成员生成相似的几何形状,优化零件的拓扑结构,并执行设计验证——这是一个完全可重复的程序化过程!然后可以将生成的几何图形发送到 Origin One 生产系统进行打印,并在 1-2 天内进行资格测试。

增材制造的前景

该团队的项目方法是在高效的设计解决方案中满足功能要求,同时为超越基本功能并提供独特优势的创新功能留出空间。CAD、拓扑优化、分析、3D 打印和测试功能的集成特性使团队能够执行许多快速设计/优化/分析/打印/测试周期,从而得到优化和验证的设计。在项目冲刺期间,每天执行一个或多个这样的循环。

源文摘自:Origin

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