3D打印技術(shù)能夠?qū)⑿∨可a(chǎn)的成本控制在合理范圍內(nèi)，并能在生產(chǎn)線(xiàn)式的制造場(chǎng)合中靈活實(shí)現(xiàn)零件的定制化要求。另外，3D打印特別適合應(yīng)用于賽車(chē)領(lǐng)域，因?yàn)樵擃I(lǐng)域?qū)α悴考妮p型化和集成化要求頗高。

 

 

 

更高的目標(biāo)

 

前不久，來(lái)自制造業(yè)的六大技術(shù)翹楚企業(yè)，分別是Altair、APWorks、CSI Entwicklungstechnik(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CSI”)、EOS、Gerg、賀利氏(Heraeus)，聯(lián)合完成了一個(gè)名為“3i-Print”的研發(fā)項(xiàng)目。通過(guò)該項(xiàng)目，不僅應(yīng)用新型的增材制造技術(shù)成功打造出一輛大眾開(kāi)迪(Caddy)車(chē)型的前端結(jié)構(gòu)，而且還搭建了一個(gè)可用于汽車(chē)研發(fā)、多功能協(xié)同、快捷工程的制造平臺(tái)，利用該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一些創(chuàng)新原型樣車(chē)的3D打印。值得一提的是，從汽車(chē)的概念設(shè)計(jì)到成品的完成，該項(xiàng)目只用了短短9個(gè)月的時(shí)間，并且新的汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)更輕、更穩(wěn)定，功能集成度更高。

 

 

應(yīng)用Altai公司的CAE軟件設(shè)計(jì)的汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)裝載到開(kāi)迪汽車(chē)中的樣子。

 

德國(guó)CSI公司是一家專(zhuān)注于汽車(chē)制造領(lǐng)域的工程服務(wù)提供商，也是3i-Print項(xiàng)目的牽頭企業(yè)。CSI公司的部件輕型化設(shè)計(jì)工程師Stefan Herrmann解釋道：“我們的想法就是用3D打印技術(shù)來(lái)提高‘白車(chē)身’(車(chē)身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件焊接總成)的制造能力。用3D打印件來(lái)替代原來(lái)的鑄造件，這可能是現(xiàn)有3D打印技術(shù)的主流應(yīng)用思路，但是我們的目標(biāo)不僅限于此。我們更希望結(jié)合3D打印的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出一款全新的汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)，只有這樣才能真正從增材制造的種種優(yōu)勢(shì)中獲益。”

 

 

應(yīng)用Altair公司軟件工具完成的汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)。

 

覆蓋開(kāi)發(fā)流程鏈中的每一個(gè)環(huán)節(jié)

 

當(dāng)然，參與該項(xiàng)目的公司所涉及的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，涵蓋了汽車(chē)零部件開(kāi)發(fā)流程中的每一個(gè)步驟，包括設(shè)計(jì)、模擬仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)制造和后期加工等。在開(kāi)迪汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中，CSI公司得到了APWorks公司的大力支持。APWorks隸屬于空客集團(tuán)，是金屬3D打印方面的專(zhuān)業(yè)服務(wù)企業(yè)，其業(yè)務(wù)覆蓋增材制造相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)線(xiàn)組建。而Altair公司為該項(xiàng)目提供了HyperWorks軟件工具包，用以完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真，其中碰撞分析通過(guò)Radioss來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過(guò)OptiStruct和solidThinking Inspire來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有的部件都是在EOS公司生產(chǎn)的M 400 3D打印設(shè)備上制造完成的，打印材料選擇的是由APWorks公司開(kāi)發(fā)的Scalmalloy高強(qiáng)度鋁合金，材料的供貨方和質(zhì)量檢驗(yàn)方均為賀利氏公司。Gerg公司則負(fù)責(zé)將所有的增材制造部件焊接起來(lái)，完成最終版的車(chē)前端構(gòu)架，該公司是汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域的原型機(jī)和小批量產(chǎn)品的創(chuàng)新解決方案供應(yīng)商。

 

 

 

融入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念

 

考慮到汽車(chē)行業(yè)的電力化發(fā)展趨勢(shì)，在前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，首要關(guān)注的問(wèn)題就是熱效率的提高，設(shè)計(jì)空間的縮減，以及整體重量的減輕。此外，與性能優(yōu)化、安全性和舒適性相關(guān)的汽車(chē)結(jié)構(gòu)要求，也需要被加以檢查和處理。

 

CSI公司通過(guò)Altair提供的軟件工具，完成了項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬仿真流程。作為CAE軟件供應(yīng)商兼工程服務(wù)公司，Altair將特定載荷與材料效率的零部件設(shè)計(jì)理念帶入到了這個(gè)項(xiàng)目中。在項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，由于受到了仿生學(xué)啟發(fā)，并充分考慮到3D打印可以有效減輕構(gòu)件重量，采用了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，軟件環(huán)境則選擇了OptiStruct和有限元分析(FE analysis)，成品在所有載荷情況下都能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度和碰撞安全要求?？傊?，3D打印的前端結(jié)構(gòu)是基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，當(dāng)中考慮了靜態(tài)需求和各種碰撞載荷的情況。

 

 

在3D打印流程前，一定要先完成結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

 

Altair的AcuSolve流體力學(xué)分析工具(CFD analysis)用于最大限度地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能集成性。這就意味著承重結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力管理考慮到了主動(dòng)和被動(dòng)冷卻的幾乎所有細(xì)節(jié)。

 

 

 

確定最佳的打印方向

 

仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)的可靠性打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，之后，APWorks承接了3D打印部件的最終尺寸確認(rèn)工作。

 

“CSI公司對(duì)我們的Light Rider項(xiàng)目是非常熟悉的，在這個(gè)項(xiàng)目中，我們合作設(shè)計(jì)并制造了第一臺(tái)3D打印的摩托車(chē)原型，”APWorks市場(chǎng)和銷(xiāo)售總監(jiān)Sven Lauxmann解釋道，“從一開(kāi)始，他們對(duì)Light Rider項(xiàng)目就非常感興趣，包括材料、設(shè)計(jì)和打印技術(shù)在內(nèi)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。特別是在仿生設(shè)計(jì)以及3D打印構(gòu)件的尺寸設(shè)定方面，增材制造使零部件的設(shè)計(jì)空間有了很大擴(kuò)展。”在這個(gè)項(xiàng)目中，有許多設(shè)計(jì)要素需要考慮。其中包括部件的多特征集成建模、壁厚設(shè)計(jì)、以及為充分利用打印空間所設(shè)定的最佳打印方向。另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作在于，對(duì)于每一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)都要考慮是不是必要，能不能精簡(jiǎn)掉，或者是否可以集成到其它部件上。CSI與APWorks正是通過(guò)這樣緊密、默契的合作，成功完成了極具成本效益的新型汽車(chē)前端的設(shè)計(jì)和3D打印制造。

 

前端結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程，是由APWorks公司在EOS生產(chǎn)的M 400 3D打印系統(tǒng)上完成的，EOS是一家先進(jìn)的工業(yè)級(jí)金屬和聚合物3D打印技術(shù)和設(shè)備提供商。該公司歐洲中部地區(qū)高級(jí)副總裁Nikolai Zaepernick表示：“3i-Print項(xiàng)目充分展示出當(dāng)今3D打印技術(shù)的最高水平。我們的M 400系統(tǒng)具有超大的組裝空間和千瓦級(jí)的激光功率輸出，適合于小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工質(zhì)量和效率要求雙高的金屬部件制造領(lǐng)域，因此非常符合這個(gè)項(xiàng)目的需求。”

 

在材料選用方面，賀利氏作為一家專(zhuān)業(yè)的貴金屬粉末材料供應(yīng)商，在此項(xiàng)目中拔得頭籌，負(fù)責(zé)Scalmalloy高強(qiáng)度鋁合金材料的供應(yīng)，這種材料是APWorks公司獨(dú)家研發(fā)的。Scalmalloy中的合金成分系統(tǒng)是專(zhuān)為增材制造所設(shè)計(jì)的，具有極高的冷卻和凝固速率。

 

賀利氏公司增材制造部主管Tobias Caspari說(shuō)道：“為了迅速占領(lǐng)增材制造用金屬粉末市場(chǎng)，我們特別關(guān)注航空航天和醫(yī)療器械領(lǐng)域的行業(yè)動(dòng)態(tài)，當(dāng)然也不會(huì)放過(guò)其他任何的工業(yè)應(yīng)用機(jī)會(huì)。我堅(jiān)信在許多工業(yè)領(lǐng)域，3D打印都會(huì)成為面向未來(lái)的制造發(fā)展大趨勢(shì)。畢竟，3D打印在減輕零部件數(shù)量和重量方面的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)鑄造工藝無(wú)法匹敵的。”

 

 

 

一種相對(duì)復(fù)雜的“連接”方式

 

打印出來(lái)的單一部件總要連接到一起才行。Gerg公司曾參與過(guò)APWork的Light Rider項(xiàng)目，在3i-Print項(xiàng)目中提供了焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)和構(gòu)建方案，并承擔(dān)了部件焊接和后處理加工任務(wù)。由EOS的3D打印設(shè)備生產(chǎn)出的部件都只有鞋盒那么大。31個(gè)這樣的部件通過(guò)TIG(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)焊接技術(shù)連接在一起，就魔術(shù)般地組建出了開(kāi)迪汽車(chē)的前端部分。

 

這種相對(duì)復(fù)雜的組建方式在項(xiàng)目一開(kāi)始就被考慮進(jìn)去了。焊接位置和過(guò)熱變形的問(wèn)題也考慮到了。所有的焊接位置都盡量采用縫焊工藝，力求將人工焊的工作量降到最低。為了保證接頭部分的可靠性，Gerg工程師們還進(jìn)行了一系列針對(duì)Scalmalloy材料的焊接參數(shù)測(cè)試。

 

Gerg公司生產(chǎn)工程部主管Benjamin Scheffler表示：“在3i-Print項(xiàng)目中，無(wú)論是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，我們都盡力提供技術(shù)支持與經(jīng)驗(yàn)分享，并在最終產(chǎn)品的組建階段做出了實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)。總之，沒(méi)有我們六家企業(yè)的通力合作，就不可能在這么短的時(shí)間內(nèi)完成這個(gè)極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的項(xiàng)目。作為汽車(chē)、航空航天和醫(yī)療工程領(lǐng)域的原型機(jī)和小批量產(chǎn)品制造商，我們時(shí)刻準(zhǔn)備著迎接新的挑戰(zhàn)。依靠經(jīng)驗(yàn)與實(shí)力，我們可以很自豪地說(shuō)出企業(yè)的口號(hào)——‘Gerg讓產(chǎn)品概念成為現(xiàn)實(shí)’。”

 

 

 

開(kāi)放性的合作平臺(tái)帶來(lái)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)

 

由CSI倡議提出的3i-Print項(xiàng)目，成就了一個(gè)創(chuàng)新型產(chǎn)品的研發(fā)與制造工程平臺(tái)。并且在這個(gè)開(kāi)放性的合作平臺(tái)上，還充分展現(xiàn)出了增材制造技術(shù)的魅力所在——以最快捷的方式將產(chǎn)品概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體成品。“3i-Print項(xiàng)目開(kāi)發(fā)并制造出了創(chuàng)新型的開(kāi)迪汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)，為此我們感到很驕傲，”來(lái)自CSI的Stefan Herrmann說(shuō)道，“并且項(xiàng)目還展現(xiàn)了工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)在零部件功能集成化方面的巨大潛力，特別是在汽車(chē)和賽車(chē)制造領(lǐng)域。”