【成功案例】发挥增材制造潜力：实现大型金属无人机框架3D打印

行业：

航空

挑战：

在Aeroswift打印机上构建大型金属无人机框架，需要在提高产品性价比的同时，减少开发时间和资源浪费。

Altair解决方案：

利用Altair Inspire™，工程师们设计了一个大型无人驾驶飞行器框架，用于在Aeroswift 3D打印设备上进行制造。 

优点：

• 优化无人机拓扑结构

• 实现大尺寸3D打印

• 减少开发时间、材料和浪费

2011年，南非航空制造解决方案提供商Aerosud和南非科学与工业研究理事会（CSIR）联合发起了一个具有挑战性的3D打印项目Aeroswift。

新一代金属增材制造（AM）系统具有比以往任何时候都更大的制造空间，Aeroswift项目的目标是激发增材制造行业潜力，提高市场竞争力，并为南非在金属AM领域提供独特的竞争优势。

使用Aeroswift增材制造系统，可以打印比过去大得多的零件，打印速度比任何其他商用激光熔融设备都快10倍，从而获得一种全新的增材制造方法。

为了展示打印机制造超大航空零部件的能力，Aeroswift与Altair合作开发了一种设计大型产品的方法。一个无人驾驶飞行器框架被设计成典型案例，随后使用Aeroswift进行增材制造。为了在满足所有组件要求的同时提高可制造性，项目工程师在设计过程中使用了Altair Inspire拓扑优化功能。 

——Aeroswift系统能够增加零件尺寸和复杂性

Aeroswift打印机能够构建许多金属（包括钛合金）大型3D打印金属飞机部件。这些金属材料具有高性能、低重量等特点，在工业上得到了广泛的应用。无人机框架的设计使用钛合金在大型粉末床熔化打印系统（如Aeroswift打印机）进行制造。

设计初始，项目组规定了无人机框架的要求。Aeroswift的工程师们不仅想打印有史以来最大的金属框架，还想展示如何缩短构建时间和减少装配体的数量，并期望通过减少材料浪费，获得更好的性价比。

设计过程包括无人机飞行要求、电子部件以及传动系的选择，采用拓扑优化技术可以实现机械设计，美学改进和可制造性。 

——更大、更好、更快地生产 

工程师们必须满足的制造要求有一长串。在他们的设计考虑中，除了框架设计要求（比如打印机的成型空间以及无人机对称电机布置），团队还必须考虑包括美学在内的因素。

他们必须在推力重量比至少为2:5:1的情况下达到最小15分钟的飞行时间，同时框架刚度也必须最大化。最终设计必须能够通过3D打印制造出来，且打印工艺采用Ti6Al4V粉末床熔融工艺。 

3D打印优化无人机框架 

——更好的设计和可打印性 

Aeroswift项目工程师需要知道材料如何分布。在预先定义的设计空间中进行优化。

由于特殊的结构和重量要求，自由的设计造型不能用传统的方法来制造，开发团队决定使用Altair Inspire来对框架进行拓扑优化，通过增材制造的方法进行制造。

开发团队合作贡献了一个多步骤的开发流程，能够在合理的时间内生成最佳的设计。 

Altair Inspire UAV 框架拓扑优化模型 

首先，创建一个尽可能有小细节的基本实体概念设计，然后导入Altair Inspire以运行有限元分析。性能检查确保能够产生合理的拓扑优化结构，保证所有组件之间的必需连接性。

工程师们通过增加分支大小来进行初步优化，减少复杂的计算，找到主要的载荷路径。这一过程产生了较厚的边界，包围出最佳设计。然后，Aeroswift团队对优化结果进行几何重构，接着使用更小的优化厚度进行第二阶段拓扑优化获得更小的分支。

整体体现了从一个非常基本的设计到一个适合金属增材项目的过程，工程师对结果很满意。

无人机框架符合所有要求，包括机架重量、推力重量比和飞行时间，同时保持框架刚度。最终的设计比最初预计的结果更好。 

UAV 无人机准备起飞