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如何帮助工程机械生产商建立“增材思维”?

如何帮助工程机械生产商建立“增材思维”?

引言:利勃海尔使用3D打印技术制作的发动机托架时,通过3D建模优化了原本的设计,在减轻超过 50% 重量的同时还降低了生产成本。与之前的生产工艺相比,3D打印技术使生产更灵活,更高效。

随着科技的发展,如今很多行业的发展也逐渐数字化。尤其是传统的制造行业,一直在探寻提高生产力,降低成本的新工艺。

利勃海尔是世界上最大的工程机械制造商之一,具有多元化的产品线。正如众多大型制造企业一样,随着科技的发展,利勃海尔在制造工艺方面,也在逐步探索更创新的技术。目前,利勃海尔零部件部门开始进一步转型,并计划推动利勃海尔集团其它生产部门采用增材制造技术。

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为什么要采用增材制造技术?

由于3D打印技术的成熟发展,加之其可实现个性化定制的优势,使得此项技术越来越受到不同领域的关注,包括一些想要转型的传统大型制造企业。利勃海尔零部件部门尝试着使用3D打印技术制作一个用于固定驱动该公司重型机械和发电设备发动机的托架,这次成功的尝试,让他们找到了一条部门向3D打印成功转型之路。

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打印的托架(红色部分)对护栅(黄色部分)起到支撑作用(图片来源:利勃海尔零部件部门)

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从数字建模到不锈钢部件成品

在经历了数字建模、模型设计优化、成品制作、成品验证等步骤后,利勃海尔的第一个使用3D打印制作的发动机托架成功诞生,这件在优化后减轻超过 50% 重量,具有高精度,高性能的成品见证了利勃海尔向增材制造技术的成功转型。

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使用Raise3D MetalFuse复刻制作的发动机托架

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数字建模与模型优化

由于这个发动机托架原本的设计是建立在传统生产方式基础之上,因此,受限于一些生产方式的局限性,设计会相对繁复。而如果利用自由度大幅度提升的3D打印技术,工程师可以通过数字化拓扑优化,将原本的零件设计进一步调整改进,充分利用增材制造技术的优势实现零部件结构最优化。

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第一步:拓扑优化—黄色箭头表示作用于零部件的机械应力(图片来源:Forward AM)

工程师基于实际运行中产生的机械应力,通过数字模拟技术,去掉了没有显著的机械或热力应用部分的材料。拓扑优化最终得出全新的零部件结构,极大减轻了重量。然后,工程师采用了只有3D 打印才能实现的设计方式:将点阵结构作为零部件的填充部分,从而再次大幅减轻零部件结构的重量而丝毫不会降低其功能性和稳定性。

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应用结构仿真确保零部件能承受住最终应用时的工作负荷(图片来源:Forward AM)

由于只在必要处使用材料且整合了点阵填充结构,重新设计后的托架总重量从 343 克减少至 167 克,减轻了超过 50% 的重量。重量的减轻意味着单个零部件生产成本下降,使用的材料更少,从而缩短了生产过程中的打印时间。

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经拓扑优化的金属 3D 打印设计(图片来源:Forward AM)

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成品制作与验证

在模型和材料确定后,就可以开始进行成品的打印与制作。对于需要拥有高精度,确保运作性能的金属机械零件来说,一套高性能的3D金属打印解决方案在成品制作过程中显得尤为重要。高精度,运行稳定的打印设备能保障成品的精准度,确保零件的性能表现。先进的脱脂工艺,能缩短成型时间,提高致密度与屈服强度。除此之外,较大的打印腔体不仅可以实现大型零件的一次性打印,还可以实现小型零件的批量生产。

成功打印零部件后,工程师对零部件进行3D扫描,将该零部件的尺寸与建模时生成的模拟数据进行比较。分析尺寸一致性,比较零部件的表面并检查具体尺寸后,即可证实利勃海尔零部件部门最终生产出的零部件具有高精度、高性能特点。 

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对打印的零部件进行精密扫描,确保其精度(图片来源:Forward AM)

使用增材制造技术后的利勃海尔零部件部门降低了托架的生产成本、时间成本、极大的降低了托架重量,与此同时,还保证了托架承载能力的一致性。在建立起“增材制造思维”后,利勃海尔零部件部门已使用3D打印机在内部进行打印,并计划在该公司全球各个生产部门推广增材制造。

*案例来源:巴斯夫3D打印Forward AM

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