基于激光选区熔化技术的门把手功能零件的优化、打印及应用研究

作者：王迪; 陈晓敏; 杨永强; 肖泽锋; 王安民; 张明康; 王艺锰; 叶光照; 宋长辉

来源：特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议, 中国广东广州, 2017-11-17.

• 激光选取熔化
• 门把手
• 轻量化
• 有限元
• 3D打印成型件应用

为优化现有的门把手功能零件,采用受力分析及拓扑优化的方法,设计出符合零件内部力场分布特点的功能件,通过激光选区熔化技术（SLM）获得打印成型件,并经尺寸精度、力学性能及质量等方面的测试,获得减重52.5%轻量化效果,力学性能超过传统铸锻件及尺寸精度符合需求的优化设计成品。基于SLM进行优化设计能使优化功能零件过程中拥有极高的自由度,故基于SLM采用拓扑与布局优化、结构类型优化等结构优化设计方法,达到减轻产品重量并改善应力性能,提高视觉感受等目标的思路是可行的。（1）测量得到真空室门把手各组件的精确尺寸后,利用Solidworks软件进行三维重建。（2）通过Simulation插件进行动力学仿真分析,设定开关时把手的载荷为成人较大的手臂力量大小100N,最终运算得到三个零件的受力情况结果。（3）把手零件的头部与手柄部分之间的过渡部分由于突然发生的厚度尺寸变化,导致把手零件在交变载荷作用产生下发生了应力集中现象,极易在此处发生断裂,首先对该零件的外形进行了初步优化。（4）通过Inspire软件对三个零件分别进行了各项初始参数设定,设定载荷为100N,分割模型中的链接部分,约束运动方向,其中把手零件可绕轴运动,并将非链接部分设定为设计空间,控制其优化结果的形状,对把手零件分别进行了打开与关闭两种情境下的拓扑优化。（5）拓扑优化后的模型结果外形很粗糙,通过Solidworks等建模软件参照优化结果重新建模。其中手盖模型综合了力学分析及拓扑优化结果,在Solidworks软件中挖除非受力区域,并通过Rhinoceros软件填补网状结构,确保零件的力学性能。（6）添加支撑结构,并进行切片打印。（7）对打印成型件进行后处理流程。（8）测试和比对原有门把手及优化门把手的多项数据。实验测试详细结果为:（1）零件加工处理完毕后将其装配在打印机真空室的门上,装配过程中并未出现安装尺寸不符的情况。（2）优化后把手重量降低了52.5%,极大地降低了材料的浪费。（3）优化后成品的力学性能及尺寸精度都能满足要求。实验结果表明,在成型精度、力学性能等方面,SLM完全不输传统加工方式,但其能实现几乎任意形状的优越性扩大了其应用领域,可通过实现基于SLM的有限元分析和拓扑优化设计技术的推广应用,从而有效提高材料的利用率、降低成本,提高其力学性能和美观度。

• 单位
  华南理工大学