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当传统工艺面对无法满足的特殊制造需求时,3D打印来了

来源:荣格

  发布:星之球科技

关键词:3D打印 增材制造

2018-05-31

3D打印技术能够将小批量生产的成本控制在合理范围内,并能在生产线式的制造场合中灵活实现零件的定制化要求。另外,3D打印特别适合应用于赛车领域,因为该领域对零部件的轻型化和集成化要求颇高。
 
 
 
更高的目标
 
前不久,来自制造业的六大技术翘楚企业,分别是Altair、APWorks、CSI Entwicklungstechnik(以下简称“CSI”)、EOS、Gerg、贺利氏(Heraeus),联合完成了一个名为“3i-Print”的研发项目。通过该项目,不仅应用新型的增材制造技术成功打造出一辆大众开迪(Caddy)车型的前端结构,而且还搭建了一个可用于汽车研发、多功能协同、快捷工程的制造平台,利用该平台可实现一些创新原型样车的3D打印。值得一提的是,从汽车的概念设计到成品的完成,该项目只用了短短9个月的时间,并且新的汽车前端结构更轻、更稳定,功能集成度更高。
 
 
应用Altai公司的CAE软件设计的汽车前端结构装载到开迪汽车中的样子。
 
德国CSI公司是一家专注于汽车制造领域的工程服务提供商,也是3i-Print项目的牵头企业。CSI公司的部件轻型化设计工程师Stefan Herrmann解释道:“我们的想法就是用3D打印技术来提高‘白车身’(车身结构件及覆盖件焊接总成)的制造能力。用3D打印件来替代原来的铸造件,这可能是现有3D打印技术的主流应用思路,但是我们的目标不仅限于此。我们更希望结合3D打印的工艺特点,设计和开发出一款全新的汽车前端结构,只有这样才能真正从增材制造的种种优势中获益。”
 
 
应用Altair公司软件工具完成的汽车前端结构。
 
覆盖开发流程链中的每一个环节
 
当然,参与该项目的公司所涉及的业务领域,涵盖了汽车零部件开发流程中的每一个步骤,包括设计、模拟仿真、结构优化、生产制造和后期加工等。在开迪汽车前端结构的设计、开发和制造过程中,CSI公司得到了APWorks公司的大力支持。APWorks隶属于空客集团,是金属3D打印方面的专业服务企业,其业务覆盖增材制造相关的产品设计、材料开发和批量生产线组建。而Altair公司为该项目提供了HyperWorks软件工具包,用以完成结构设计、优化和仿真,其中碰撞分析通过Radioss来实现,结构优化通过OptiStruct和solidThinking Inspire来实现。所有的部件都是在EOS公司生产的M 400 3D打印设备上制造完成的,打印材料选择的是由APWorks公司开发的Scalmalloy高强度铝合金,材料的供货方和质量检验方均为贺利氏公司。Gerg公司则负责将所有的增材制造部件焊接起来,完成最终版的车前端构架,该公司是汽车和航空航天领域的原型机和小批量产品的创新解决方案供应商。
 
 
 
融入拓扑结构优化的设计理念
 
考虑到汽车行业的电力化发展趋势,在前端结构的设计中,首要关注的问题就是热效率的提高,设计空间的缩减,以及整体重量的减轻。此外,与性能优化、安全性和舒适性相关的汽车结构要求,也需要被加以检查和处理。
 
CSI公司通过Altair提供的软件工具,完成了项目的结构设计和模拟仿真流程。作为CAE软件供应商兼工程服务公司,Altair将特定载荷与材料效率的零部件设计理念带入到了这个项目中。在项目的结构优化方面,由于受到了仿生学启发,并充分考虑到3D打印可以有效减轻构件重量,采用了拓扑结构优化方法,软件环境则选择了OptiStruct和有限元分析(FE analysis),成品在所有载荷情况下都能够满足强度和碰撞安全要求。总之,3D打印的前端结构是基于拓扑优化的结果,当中考虑了静态需求和各种碰撞载荷的情况。
 
 
在3D打印流程前,一定要先完成结构应力分析。
 
Altair的AcuSolve流体力学分析工具(CFD analysis)用于最大限度地实现结构的功能集成性。这就意味着承重结构的热应力管理考虑到了主动和被动冷却的几乎所有细节。
 
 
 
确定最佳的打印方向
 
仿真优化设计为结构的可靠性打下了坚实的基础,之后,APWorks承接了3D打印部件的最终尺寸确认工作。
 
“CSI公司对我们的Light Rider项目是非常熟悉的,在这个项目中,我们合作设计并制造了第一台3D打印的摩托车原型,”APWorks市场和销售总监Sven Lauxmann解释道,“从一开始,他们对Light Rider项目就非常感兴趣,包括材料、设计和打印技术在内的整个开发过程。特别是在仿生设计以及3D打印构件的尺寸设定方面,增材制造使零部件的设计空间有了很大扩展。”在这个项目中,有许多设计要素需要考虑。其中包括部件的多特征集成建模、壁厚设计、以及为充分利用打印空间所设定的最佳打印方向。另一个具有挑战性的工作在于,对于每一个支撑结构都要考虑是不是必要,能不能精简掉,或者是否可以集成到其它部件上。CSI与APWorks正是通过这样紧密、默契的合作,成功完成了极具成本效益的新型汽车前端的设计和3D打印制造。
 
前端结构的制造过程,是由APWorks公司在EOS生产的M 400 3D打印系统上完成的,EOS是一家先进的工业级金属和聚合物3D打印技术和设备提供商。该公司欧洲中部地区高级副总裁Nikolai Zaepernick表示:“3i-Print项目充分展示出当今3D打印技术的最高水平。我们的M 400系统具有超大的组装空间和千瓦级的激光功率输出,适合于小批量、结构复杂、加工质量和效率要求双高的金属部件制造领域,因此非常符合这个项目的需求。”
 
在材料选用方面,贺利氏作为一家专业的贵金属粉末材料供应商,在此项目中拔得头筹,负责Scalmalloy高强度铝合金材料的供应,这种材料是APWorks公司独家研发的。Scalmalloy中的合金成分系统是专为增材制造所设计的,具有极高的冷却和凝固速率。
 
贺利氏公司增材制造部主管Tobias Caspari说道:“为了迅速占领增材制造用金属粉末市场,我们特别关注航空航天和医疗器械领域的行业动态,当然也不会放过其他任何的工业应用机会。我坚信在许多工业领域,3D打印都会成为面向未来的制造发展大趋势。毕竟,3D打印在减轻零部件数量和重量方面的优势是传统铸造工艺无法匹敌的。”
 
 
 
一种相对复杂的“连接”方式
 
打印出来的单一部件总要连接到一起才行。Gerg公司曾参与过APWork的Light Rider项目,在3i-Print项目中提供了焊接设备的设计和构建方案,并承担了部件焊接和后处理加工任务。由EOS的3D打印设备生产出的部件都只有鞋盒那么大。31个这样的部件通过TIG(钨极惰性气体保护焊)焊接技术连接在一起,就魔术般地组建出了开迪汽车的前端部分。
 
这种相对复杂的组建方式在项目一开始就被考虑进去了。焊接位置和过热变形的问题也考虑到了。所有的焊接位置都尽量采用缝焊工艺,力求将人工焊的工作量降到最低。为了保证接头部分的可靠性,Gerg工程师们还进行了一系列针对Scalmalloy材料的焊接参数测试。
 
Gerg公司生产工程部主管Benjamin Scheffler表示:“在3i-Print项目中,无论是产品开发还是生产制造环节,我们都尽力提供技术支持与经验分享,并在最终产品的组建阶段做出了实质贡献。总之,没有我们六家企业的通力合作,就不可能在这么短的时间内完成这个极具挑战性和创新性的项目。作为汽车、航空航天和医疗工程领域的原型机和小批量产品制造商,我们时刻准备着迎接新的挑战。依靠经验与实力,我们可以很自豪地说出企业的口号——‘Gerg让产品概念成为现实’。”
 
 
 
开放性的合作平台带来无可比拟的优势
 
由CSI倡议提出的3i-Print项目,成就了一个创新型产品的研发与制造工程平台。并且在这个开放性的合作平台上,还充分展现出了增材制造技术的魅力所在——以最快捷的方式将产品概念转变为实体成品。“3i-Print项目开发并制造出了创新型的开迪汽车前端结构,为此我们感到很骄傲,”来自CSI的Stefan Herrmann说道,“并且项目还展现了工业级3D打印技术在零部件功能集成化方面的巨大潜力,特别是在汽车和赛车制造领域。”