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如何幫助工程機械生產商建立“增材思維”?

如何幫助工程機械生產商建立“增材思維”?

引言:利勃海爾使用3D打印技術制作的發動機托架時,通過3D建模優化了原本的設計,在減輕超過 50% 重量的同時還降低了生產成本。與之前的生產工藝相比,3D打印技術使生產更靈活,更高效。

隨著科技的發展,如今很多行業的發展也逐漸數字化。尤其是傳統的制造行業,一直在探尋提高生產力,降低成本的新工藝。

利勃海爾是世界上最大的工程機械制造商之一,具有多元化的產品線。正如眾多大型制造企業一樣,隨著科技的發展,利勃海爾在制造工藝方面,也在逐步探索更創新的技術。目前,利勃海爾零部件部門開始進一步轉型,并計劃推動利勃海爾集團其它生產部門采用增材制造技術。

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為什么要采用增材制造技術?

由于3D打印技術的成熟發展,加之其可實現個性化定制的優勢,使得此項技術越來越受到不同領域的關注,包括一些想要轉型的傳統大型制造企業。利勃海爾零部件部門嘗試著使用3D打印技術制作一個用于固定驅動該公司重型機械和發電設備發動機的托架,這次成功的嘗試,讓他們找到了一條部門向3D打印成功轉型之路。

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打印的托架(紅色部分)對護柵(黃色部分)起到支撐作用(圖片來源:利勃海爾零部件部門)

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從數字建模到不銹鋼部件成品

在經歷了數字建模、模型設計優化、成品制作、成品驗證等步驟后,利勃海爾的第一個使用3D打印制作的發動機托架成功誕生,這件在優化后減輕超過 50% 重量,具有高精度,高性能的成品見證了利勃海爾向增材制造技術的成功轉型。

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使用Raise3D MetalFuse復刻制作的發動機托架

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數字建模與模型優化

由于這個發動機托架原本的設計是建立在傳統生產方式基礎之上,因此,受限于一些生產方式的局限性,設計會相對繁復。而如果利用自由度大幅度提升的3D打印技術,工程師可以通過數字化拓撲優化,將原本的零件設計進一步調整改進,充分利用增材制造技術的優勢實現零部件結構最優化。

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第一步:拓撲優化—黃色箭頭表示作用于零部件的機械應力(圖片來源:Forward AM)

工程師基于實際運行中產生的機械應力,通過數字模擬技術,去掉了沒有顯著的機械或熱力應用部分的材料。拓撲優化最終得出全新的零部件結構,極大減輕了重量。然后,工程師采用了只有3D 打印才能實現的設計方式:將點陣結構作為零部件的填充部分,從而再次大幅減輕零部件結構的重量而絲毫不會降低其功能性和穩定性。

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應用結構仿真確保零部件能承受住最終應用時的工作負荷(圖片來源:Forward AM)

由于只在必要處使用材料且整合了點陣填充結構,重新設計后的托架總重量從 343 克減少至 167 克,減輕了超過 50% 的重量。重量的減輕意味著單個零部件生產成本下降,使用的材料更少,從而縮短了生產過程中的打印時間。

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經拓撲優化的金屬 3D 打印設計(圖片來源:Forward AM)

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成品制作與驗證

在模型和材料確定后,就可以開始進行成品的打印與制作。對于需要擁有高精度,確保運作性能的金屬機械零件來說,一套高性能的3D金屬打印解決方案在成品制作過程中顯得尤為重要。高精度,運行穩定的打印設備能保障成品的精準度,確保零件的性能表現。先進的脫脂工藝,能縮短成型時間,提高致密度與屈服強度。除此之外,較大的打印腔體不僅可以實現大型零件的一次性打印,還可以實現小型零件的批量生產。

成功打印零部件后,工程師對零部件進行3D掃描,將該零部件的尺寸與建模時生成的模擬數據進行比較。分析尺寸一致性,比較零部件的表面并檢查具體尺寸后,即可證實利勃海爾零部件部門最終生產出的零部件具有高精度、高性能特點。 

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對打印的零部件進行精密掃描,確保其精度(圖片來源:Forward AM)

使用增材制造技術后的利勃海爾零部件部門降低了托架的生產成本、時間成本、極大的降低了托架重量,與此同時,還保證了托架承載能力的一致性。在建立起“增材制造思維”后,利勃海爾零部件部門已使用3D打印機在內部進行打印,并計劃在該公司全球各個生產部門推廣增材制造。

*案例來源:巴斯夫3D打印Forward AM

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王妍
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