3D打印技術能夠?qū)⑿∨可a(chǎn)的成本控制在合理范圍內(nèi)，并能在生產(chǎn)線式的制造場合中靈活實現(xiàn)零件的定制化要求。另外，3D打印特別適合應用于賽車領域，因為該領域?qū)α悴考妮p型化和集成化要求頗高。

 

 

 

更高的目標

 

前不久，來自制造業(yè)的六大技術翹楚企業(yè)，分別是Altair、APWorks、CSI Entwicklungstechnik(以下簡稱“CSI”)、EOS、Gerg、賀利氏(Heraeus)，聯(lián)合完成了一個名為“3i-Print”的研發(fā)項目。通過該項目，不僅應用新型的增材制造技術成功打造出一輛大眾開迪(Caddy)車型的前端結構，而且還搭建了一個可用于汽車研發(fā)、多功能協(xié)同、快捷工程的制造平臺，利用該平臺可實現(xiàn)一些創(chuàng)新原型樣車的3D打印。值得一提的是，從汽車的概念設計到成品的完成，該項目只用了短短9個月的時間，并且新的汽車前端結構更輕、更穩(wěn)定，功能集成度更高。

 

 

應用Altai公司的CAE軟件設計的汽車前端結構裝載到開迪汽車中的樣子。

 

德國CSI公司是一家專注于汽車制造領域的工程服務提供商，也是3i-Print項目的牽頭企業(yè)。CSI公司的部件輕型化設計工程師Stefan Herrmann解釋道：“我們的想法就是用3D打印技術來提高‘白車身’(車身結構件及覆蓋件焊接總成)的制造能力。用3D打印件來替代原來的鑄造件，這可能是現(xiàn)有3D打印技術的主流應用思路，但是我們的目標不僅限于此。我們更希望結合3D打印的工藝特點，設計和開發(fā)出一款全新的汽車前端結構，只有這樣才能真正從增材制造的種種優(yōu)勢中獲益。”

 

 

應用Altair公司軟件工具完成的汽車前端結構。

 

覆蓋開發(fā)流程鏈中的每一個環(huán)節(jié)

 

當然，參與該項目的公司所涉及的業(yè)務領域，涵蓋了汽車零部件開發(fā)流程中的每一個步驟，包括設計、模擬仿真、結構優(yōu)化、生產(chǎn)制造和后期加工等。在開迪汽車前端結構的設計、開發(fā)和制造過程中，CSI公司得到了APWorks公司的大力支持。APWorks隸屬于空客集團，是金屬3D打印方面的專業(yè)服務企業(yè)，其業(yè)務覆蓋增材制造相關的產(chǎn)品設計、材料開發(fā)和批量生產(chǎn)線組建。而Altair公司為該項目提供了HyperWorks軟件工具包，用以完成結構設計、優(yōu)化和仿真，其中碰撞分析通過Radioss來實現(xiàn)，結構優(yōu)化通過OptiStruct和solidThinking Inspire來實現(xiàn)。所有的部件都是在EOS公司生產(chǎn)的M 400 3D打印設備上制造完成的，打印材料選擇的是由APWorks公司開發(fā)的Scalmalloy高強度鋁合金，材料的供貨方和質(zhì)量檢驗方均為賀利氏公司。Gerg公司則負責將所有的增材制造部件焊接起來，完成最終版的車前端構架，該公司是汽車和航空航天領域的原型機和小批量產(chǎn)品的創(chuàng)新解決方案供應商。

 

 

 

融入拓撲結構優(yōu)化的設計理念

 

考慮到汽車行業(yè)的電力化發(fā)展趨勢，在前端結構的設計中，首要關注的問題就是熱效率的提高，設計空間的縮減，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的汽車結構要求，也需要被加以檢查和處理。

 

CSI公司通過Altair提供的軟件工具，完成了項目的結構設計和模擬仿真流程。作為CAE軟件供應商兼工程服務公司，Altair將特定載荷與材料效率的零部件設計理念帶入到了這個項目中。在項目的結構優(yōu)化方面，由于受到了仿生學啟發(fā)，并充分考慮到3D打印可以有效減輕構件重量，采用了拓撲結構優(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足強度和碰撞安全要求。總之，3D打印的前端結構是基于拓撲優(yōu)化的結果，當中考慮了靜態(tài)需求和各種碰撞載荷的情況。

 

 

在3D打印流程前，一定要先完成結構應力分析。

 

Altair的AcuSolve流體力學分析工具(CFD analysis)用于最大限度地實現(xiàn)結構的功能集成性。這就意味著承重結構的熱應力管理考慮到了主動和被動冷卻的幾乎所有細節(jié)。

 

 

 

確定最佳的打印方向

 

仿真優(yōu)化設計為結構的可靠性打下了堅實的基礎，之后，APWorks承接了3D打印部件的最終尺寸確認工作。

 

“CSI公司對我們的Light Rider項目是非常熟悉的，在這個項目中，我們合作設計并制造了第一臺3D打印的摩托車原型，”APWorks市場和銷售總監(jiān)Sven Lauxmann解釋道，“從一開始，他們對Light Rider項目就非常感興趣，包括材料、設計和打印技術在內(nèi)的整個開發(fā)過程。特別是在仿生設計以及3D打印構件的尺寸設定方面，增材制造使零部件的設計空間有了很大擴展。”在這個項目中，有許多設計要素需要考慮。其中包括部件的多特征集成建模、壁厚設計、以及為充分利用打印空間所設定的最佳打印方向。另一個具有挑戰(zhàn)性的工作在于，對于每一個支撐結構都要考慮是不是必要，能不能精簡掉，或者是否可以集成到其它部件上。CSI與APWorks正是通過這樣緊密、默契的合作，成功完成了極具成本效益的新型汽車前端的設計和3D打印制造。

 

前端結構的制造過程，是由APWorks公司在EOS生產(chǎn)的M 400 3D打印系統(tǒng)上完成的，EOS是一家先進的工業(yè)級金屬和聚合物3D打印技術和設備提供商。該公司歐洲中部地區(qū)高級副總裁Nikolai Zaepernick表示：“3i-Print項目充分展示出當今3D打印技術的最高水平。我們的M 400系統(tǒng)具有超大的組裝空間和千瓦級的激光功率輸出，適合于小批量、結構復雜、加工質(zhì)量和效率要求雙高的金屬部件制造領域，因此非常符合這個項目的需求。”

 

在材料選用方面，賀利氏作為一家專業(yè)的貴金屬粉末材料供應商，在此項目中拔得頭籌，負責Scalmalloy高強度鋁合金材料的供應，這種材料是APWorks公司獨家研發(fā)的。Scalmalloy中的合金成分系統(tǒng)是專為增材制造所設計的，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說道：“為了迅速占領增材制造用金屬粉末市場，我們特別關注航空航天和醫(yī)療器械領域的行業(yè)動態(tài)，當然也不會放過其他任何的工業(yè)應用機會。我堅信在許多工業(yè)領域，3D打印都會成為面向未來的制造發(fā)展大趨勢。畢竟，3D打印在減輕零部件數(shù)量和重量方面的優(yōu)勢是傳統(tǒng)鑄造工藝無法匹敵的。”

 

 

 

一種相對復雜的“連接”方式

 

打印出來的單一部件總要連接到一起才行。Gerg公司曾參與過APWork的Light Rider項目，在3i-Print項目中提供了焊接設備的設計和構建方案，并承擔了部件焊接和后處理加工任務。由EOS的3D打印設備生產(chǎn)出的部件都只有鞋盒那么大。31個這樣的部件通過TIG(鎢極惰性氣體保護焊)焊接技術連接在一起，就魔術般地組建出了開迪汽車的前端部分。

 

這種相對復雜的組建方式在項目一開始就被考慮進去了。焊接位置和過熱變形的問題也考慮到了。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工程師們還進行了一系列針對Scalmalloy材料的焊接參數(shù)測試。

 

Gerg公司生產(chǎn)工程部主管Benjamin Scheffler表示：“在3i-Print項目中，無論是產(chǎn)品開發(fā)還是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，我們都盡力提供技術支持與經(jīng)驗分享，并在最終產(chǎn)品的組建階段做出了實質(zhì)貢獻?？傊?，沒有我們六家企業(yè)的通力合作，就不可能在這么短的時間內(nèi)完成這個極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的項目。作為汽車、航空航天和醫(yī)療工程領域的原型機和小批量產(chǎn)品制造商，我們時刻準備著迎接新的挑戰(zhàn)。依靠經(jīng)驗與實力，我們可以很自豪地說出企業(yè)的口號——‘Gerg讓產(chǎn)品概念成為現(xiàn)實’。”

 

 

 

開放性的合作平臺帶來無可比擬的優(yōu)勢

 

由CSI倡議提出的3i-Print項目，成就了一個創(chuàng)新型產(chǎn)品的研發(fā)與制造工程平臺。并且在這個開放性的合作平臺上，還充分展現(xiàn)出了增材制造技術的魅力所在——以最快捷的方式將產(chǎn)品概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w成品。“3i-Print項目開發(fā)并制造出了創(chuàng)新型的開迪汽車前端結構，為此我們感到很驕傲，”來自CSI的Stefan Herrmann說道，“并且項目還展現(xiàn)了工業(yè)級3D打印技術在零部件功能集成化方面的巨大潛力，特別是在汽車和賽車制造領域。”