通过摩托车化油器的一体化设计来领略增材思维(DFAM)的个中奥妙

增材制造(3D打印)可以从0到1的创造出一个前所未有的零部件,也可以对原有零部件进行再制造,为它们带来新的附加价值,如:缩小尺寸、结构一体化、轻量化并提升性能。

3D打印具有如此的魅力与其背后精彩的设计密不可分,增材思维(DFAM)是开启3D打印潜力的钥匙。然而骨感的现实是,大多数设计师是在传统减材制造教育中成长的,受到原有制造文化所形成的抗拒力,将传统设计思维转换成为增材制造而设计的思维模式并不是一件简单的事情。

本期,3D科学谷与谷友通过一个摩托车化油器的设计来领略DFAM的个中奥妙,该设计将一个由多个组件组成的设计优化为一个整体式的轻量化零件,零件中还集成了布线通道和散热结构。

Part_carburetor_Cassidy_1化油器的一体化结构设计。来源:Cassidy Silbernagel

block 仿真驱动设计

典型的化油器上部分有进气口和浮子室,中间部分有喉管、量孔和喷管,下部分有节气门等。浮子室是一个矩形容器,存储着来自汽油泵的汽油,容器里面有一只浮子利用浮面(油面)高度控制着进油量。中部的喷管一头进油口与浮子室的量孔相通,另一头出油口在喉管的咽喉处。

燃油通过O形圈密封后进入燃油入口并充满浮子随着燃油的消耗,燃油液位下降并降低浮子,从而允许更多的燃油进入。这种模式重复出现并保持在均匀的燃油液位。

Part_carburetor_Cassidy_2化油器的一体化结构设计。来源:Cassidy Silbernagel

摩托车化油器看起来非常复杂,通过改变引擎和化油器内的大气压,改变压力并使燃料和空气通过化油器流动。通过化油器流动的空气将会带动燃料,接着燃料将会与空气混合。

在化油器里面是一段喉管,喉管是在化油器里面迫使空气加速通过的收缩部分,加速流动的空气引起化油器里面的气压降低。

空气是通过空气滤清器进入化油器,基于进气阻力不能过大和其他因素的考虑,过滤装置不能过于致密,因而空气中的部分微小杂质仍会通过空滤器进入化油器中。组成化油器油道、气道中的较多零部件,如主量孔、怠速量孔、主空气量孔、怠速空气量孔、主泡沫管等等都有内径很小的孔(内径在0.3~1.5mm之间)。这些精密的零件,都给设计带来了一定程度的挑战。

对于浮子的设计,案例中的设计师使用了Altair Inspire软件。通过该软件运行了多次迭代,获得了理想的浮子的设计。

Part_carburetor_Cassidy_3增材思维设计的化油器。来源:Cassidy Silbernagel

Part_carburetor_Cassidy_4带点阵结构的化油器。来源:Cassidy Silbernagel

对于主体的设计,设计师使用了点阵结构来保持刚度同时最小化重量,通过诺丁汉大学和Added Scientific开发的软件,使用多个选项快速轻松地创建点阵结构,并根据设计要求对其进行自定义。

Part_carburetor_Cassidy_5增材制造设计带来更好的油气混合结果。来源:Cassidy Silbernagel

在增材制造中,需要尽量设计不低于45度角的结构以最少化支撑结构的需要。设计师在许多不同的地方体现了这一设计思路,从而创建复杂的零件而无需复杂的支撑结构,包括在一些薄型墙体中的一些特殊设计,而无需依赖于支撑结构

Part_carburetor_Cassidy_6蓝色区域中突出显示支撑结构。来源:Cassidy Silbernagel

当然必要的支撑结构对3D打印结果有着积极的作用。例如,支撑位于底部,顶部附近,外侧以及浮子下方(一旦断电并卸下容纳燃料入口的背板)。

这是个很好的显示增材制造特点的案例:减少零件数量(包含运动零件),减轻重量,提高性能。

名词解释:化油器(carburetor)是在发动机工作产生的真空作用下,将一定比例的汽油与空气混合的机械装置。化油器作为一种精密的机械装置,它利用吸入空气流的动能实现汽油的雾化的。它对发动机的重要作用可以称之为发动机的“心脏”。其完整的装置应包括起动装置、怠速装置、中等负荷装置、全负荷装置、加速装置。化油器会根据发动机的不同工作状态需求,自动配比出相应的浓度,输出相应的量的混合气,为了使配出的混合气混合的比较均匀,化油器还具备使燃油雾化的效果,以供机器正常运行。

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