• 分類：應用項目
• 發佈時間：2023-04-07 11:03
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【概要描述】賓夕法尼亞州立大學(Penn State)是增材製造(AM)技術研究和教育的領先學術機構之一，提供獨特的增材製造和設計工程碩士(MEng AMD)專案。這個專案的獨特之處在於，它可以通過賓夕法尼亞州立大學世界校區線上提供給在校學生和在職工程師。為了幫助學生成為技術專家，將有價值的am知識帶到他們的工作場所，該計畫將多學科的理論知識與在賓夕法尼亞州立大學AM設施中獲得的實踐經驗相結合。所有學生(其中大部分在處於將AM納入其設施的不同階段的領先公司工作)都必須參加動手實驗課程，在該課程中，他們將體驗整個AM工作流程——從掃描到CAD、設計、構建準備、3D列印、檢查到後處理。



“為實驗室課程選擇工具是一個真正的挑戰，”增材製造和設計研究生專案主任兼直接數字沉積創新材料加工中心(CIMP-3D)聯合主任Timothy W. Simpson教授說。“一方面，我們希望他們體驗在工作場所會遇到的最專業的軟體工具，並給他們良好的實踐體驗。另一方面，由於學生在校園裏的時間非常有限，這些工具必須相對容易學習和使用，”辛普森教授補充道。

 

“我們發現了 3DXpert 教育版， Geomagic Design X，以及Geomagic Control X賓夕法尼亞州立大學機械工程助理教授Guha Manogharan博士說:“是最合適的軟體解決方案，可以教我們的學生如何掃描模型，準備和優化列印，並檢查它。”Manogharan教授補充道:“課程員工和學生都對3DXpert、Geomagic Design X和Geomagic Control X的功能和易用性印象深刻。



 

AM在行動:從概念到工作模型

 

實驗室課程專案之一是列印一個工作的、基於金屬的斯特林發動機，模擬現實世界中增強AM現有功能組件的例子。學生們使用Geomagic Design X等逆向工程軟體掃描正常工作的斯特林發動機模型，作為起點，而不是從頭開始，然後創建一個參數化的、基於特徵的、可編輯的實體模型，並將其導入CAD系統。

 

通過/失敗標準是實現一個工作模型，該工作模型匹配或超過原始模型的性能，如旋轉RPM(每分鐘轉數),同時集成AM的優點，如零件合併和重量減輕。學生必須使用不同的鐳射速度和功率來實現先進的金屬AM設計和製造技術，從體積晶格結構到後處理操作。



在3DXpert中準備和優化重新設計的Sterling發動機模型

 

賓夕法尼亞州立大學AM動手實驗課程的專案大綱

 

學生們——Joseph Fisher、Ryan Henderson、Adnen Mezghani、Nicholas Nace和Nate Watson——完成了專案的以下步驟:

 


使用Geomagic Design X掃描工作中的Sterling模型和/或使用CMM(座標測量機)進行逆向工程。
將參數模型數據上傳到CAD軟體中進行處理和設計更改。
已將原生CAD數據(B-rep)上傳至3DXpert。
使用3DXpert執行可列印性檢查並準備列印。
使用塑膠3D印表機列印CAD模型的原型，以確認名義和組件特徵是準確的，並獲得概念證明。
使用3DXpert為金屬3D列印準備和優化CAD模型:


a.已執行印刷適性檢查

b.添加了在後處理過程中要移除的材料(加工偏移)。

c.為列印設置最佳零件方向。

d.使用網格結構以減少整體材料用量並提高美學吸引力。

e.設置支撐結構以消除變形。

f.通過添加標籤定制零件。

g.設置列印參數並切片。

h.構建託盤上排列的部件。

I .送去印刷。


在位於賓夕法尼亞州立大學CIMP 3D實驗室的3D Systems ProX DMP 320印表機上列印了鈦(Ti6Al4V)和不銹鋼(316L)的優化模型。
執行完成每個AM組件所需的後處理操作。
組裝斯特林發動機部件。
使用Geomagic Control X等檢查軟體檢查構建，以驗證它是否與預期設計相匹配。
通過操作發動機並測量其性能，將AM模型與原始模型進行了比較。




 

3DXpert中重新設計的熱交換器



3DXpert中重新設計的基於晶格的基礎

 

專案成果

 

從這次練習中最重要的收穫是清楚地理解了面向增材製造的設計(DfAM)的重要性，以及在交付印刷之前準備和優化模型的重要性。學生們體驗了在設計階段考慮AM因素以及設計決策對後處理操作的影響。

 

所有團隊都達到了課程的及格標準，並通過使用比原來更少的零件來大幅減少體積和品質(重量)，從而大大整合了每個發動機設計中的零件。儘管學生們只有非常有限的時間來優化專案，並且在後處理操作方面幾乎沒有經驗，但他們能夠以更輕的重量、更少的零件和組裝步驟實現與最初兩個模型相匹配的性能結果。一個團隊將零件數量減少了45.8%，重量減輕了43.3%。第二個團隊將零件數量減少了21.8%，但重量卻減輕了71.6%。

 

對於學生來說，通過真實場景為AM重新設計零件是一次很好的學習經歷。當他們經歷整個AM工作流程時，他們能夠體會到AM軟體中不同功能的關鍵作用。

 

學生們對3DXpert和Geomagic軟體的功能印象深刻，他們的解決方案整合了AM的所有方面，如逆向工程、建模、設計、準備、優化和製造控制。

 

Guha Manogharan博士

 

賓夕法尼亞州立大學機械工程助理教授

 

他補充說，他們特別指出了以下能力:

 

能夠快速生成複雜幾何形狀逆向工程零件的點雲數據掃描。

一個主要優勢是可以自由使用STEP或IGES等原生CAD格式，並將lattice直接應用於模型中的任何特徵。當學生們不得不實現一些改變而不必從頭開始建模時，他們學會了更加欣賞它。

能夠創建支撐並控制支撐以實現所需的結果，例如最小化後處理和消除關鍵表面上的支撐。

隨著對專業AM知識需求的不斷增長，報名參加MEng AMD專案的學生數量也在不斷增長，賓州州立大學將繼續擴大使用 3DXpert, Geomagic Control X，以及 Geomagic Design X在它的課程中。

 

 

源文來自：opton