看3D打印如何实现悬架部件的轻量化和更平滑的结构过渡

3D打印的最大优势是用来制造那些传统方式实现不了的设计，包括薄壁，复杂的形状，这样的设计通过传统制造工艺无法制造出来，从而实现产品性能的提升。将3D打印用于传统加工工艺难以实现的创新产品的制造，这不仅仅体现在直接的金属或塑料产品的3D打印应用领域，还体现在包括与铸造相结合的间接的产品制造领域。随着3D打印与铸造的结合，铸造作为产品“诞生”的“源头”，其决定产品核心竞争力的价值将显现，我们判断是这个行业不再被误读为“傻大笨粗”，而是成为企业发展核心竞争力的体现，因为通过3D打印与铸造工艺的结合可以从源头决定一个产品的创新程度。

将来，很多大型企业将改变将铸造外包给铸造厂的模式，而是将铸造将作为核心关键的一环纳入到企业内部的生产运营中，这个过程中或将发生铸造厂被并购的现象。

当然，改变现状并非易事，在3D打印与铸造工艺结合的应用层面上，存在的普遍误区是，仅仅发挥了3D打印不需要模具的特点，将3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于产品的试制开发阶段，加工的还是传统设计的产品，并没有用于创新设计产品的制造。

本期，通过Altair与voxeljet-维捷合作的轻量化农业机械的悬架部件来与谷友共同领略通过3D打印与铸造的结合，如何实现结构件更轻的重量和更平滑的结构过渡，从而减少了刚度变化。

  项目介绍

德国著名的农机企业阿玛松公司（Amazone）开发和生产具有高标准质量且具有创新技术农业机械，支持现代化、经济的耕作方法。 考虑到这些标准，Amazone利用先进的开发工具，流程和制造方法为客户的成功做出贡献。

农业机械在极其恶劣和极端变化的条件下使用。 除了服务质量和备件的可用性之外，产品寿命是农民需要考虑的主要购买标准。 在开发新产品时，制造商不仅要在价格上具有竞争力，还必须考虑产品的耐用性，因为这方面会影响制造商在市场上的声誉。

 挑战

在过去十年中，农业机械和相关设备的效率大幅提高。 通过提高地面覆盖率，例如，更高的吞吐率、扩大的切割单元和更高的储罐容量，整体生产率得到显着提高。 但是，对于恶劣的操作条件，设备必须仍然足够坚固，并且设计改进不得导致最终产品的更高价格。

这是新的开发和制造流程发挥作用的地方。 除了通过使用特定于负载的结构设计在生产过程中节省的材料资源之外，还可以通过有针对性的、面向制造的优化开发流程来提高产品耐用性和重量，并且最终用户无需额外成本。Amazone最近进行了一个项目，对土壤耕作装置的悬架部件进行了优化，以评估部件的材料使用和耐久性。 该装置是牵引式圆盘耙，Catros-2TS，由拖拉机牵引，可用于不同的配置。 紧凑型圆盘耙用于剧烈搅拌和浅耕（工作深度达15厘米）。

轻量化这一组件为农民提供了另一项好处。使用更轻的悬架部件，农民在可供选择附加设备上可能有更多的选择。例如，如果需要，他可以选择较重的滚轮进行更密集的土壤重新固结，并且使用较轻的悬架部件不会超过总体允许的轴载荷。

 解决方案

从焊接结构到铸造部件

最初，Catros-2TS是一个相当复杂的焊接部件，重量为245千克，包括加入单个部件所需的总共16.5米的焊缝。 这种焊接量使生产非常耗费时间和成本。 每年大约生产350个这种组件。 为了实现优化组件制造工艺和延长其使用寿命的目标，Amazone工程师不仅对组件的设计进行了仔细研究，还评估了新的制造方法与拓扑优化相结合可能带来的潜在好处。

优化悬架部件的仿真和铸造技术

第一步是评估使用铸造工艺生产的部件的重量减轻和性能提升。为此，工程师进行了前期拓扑优化。 此外，Amazone采用仿真驱动的设计流程来消除不必要的设计迭代，并更快地完成最终设计。 这些任务由Altair的结构求解器和优化工具OptiStruct和Inspire处理。

工程师期望铸造方法有几个优点。 由于组件可以一体铸造而不需要焊接，因此生产更简单，并且该过程不易出错。 由于使用优化工具创建的优化结构设计，工程师希望看到制造过程显著降低成本和优化的潜力。

为了优化结构，工程师们使用了Altair Inspire。 首先，他们定义了可能的设计空间和边界条件，例如载荷、所需刚度和制造限制。还定义了结构不被修改的非设计空间区域，例如在支撑点或圆柱连接处。通过定义和应用对称平面进一步减少了计算时间，这有助于更快地获得结果。通过这些输入，软件计算出需要多少材料以及必须放置哪个位置以满足结构强度等要求。

从优化结果中，工程师创建了详细设计，然后使用OptiStruct在有限元分析中进行评估。 与焊接结构相比，铸造结构实现了更轻的重量和更平滑的结构过渡，从而减少了刚度变化。 与原始组件的焊缝中的载荷相比，新设计的铸造材料的总载荷显著降低。 由于铸件的负载特定结构，随后的物理测试显示耐久性增加了2.5倍，而重量减少了8%。

 总结

新的悬架部件已经投入使用，与之前的焊接结构相比，Amazone的制造成本降低了三分之一。 由于铸模的可重复使用性，模具成本很快就能摊销。 客户可以从附加模块的更高灵活性和更长的产品寿命中受益。

目前，Amazone工程师正在利用拓扑优化和3D打印的组合，进一步优化铸件结构和制造工艺。 Altair与其合作伙伴voxeljet-维捷展示了这种方法的最佳实践案例。在这个过程中，使用3D打印创建了一个失蜡铸造模具，并且该组件的结构经过优化并受到自然形状的启发，完全符合3D打印的要求。仿真和优化运行已经结束，并且可以进一步节省约11%的重量，同时将耐久性和刚度保持在与铸造部件相同的水平。最终成本计算仍在进行中，并且将成为Amazone决定是否将此流程用于批量生产的关键因素之一。在Altair Inspire中精炼优化的几何形状与焊接结构相比，铸造结构实现了更轻的重量和更平滑的结构过渡，从而减少了刚度变化。