采用高度自動化的方式，對夾爪進行快速、簡易的優化

包裝行業具有高度自動化特點，快速、安全的包裝商品成為競爭的核心，打造更為輕量化的包裝設計成為該行業不斷追逐的目標。

抓持工具越輕，包裝過程將變得越高效、越快。MSC Apex Generative Design，可以簡單、快速地對多種夾具進行輕量化設計。

抓持、運輸、存放、包裝，這些是包裝機器的基本任務，通過高度自動化的抓取和輸送，可以安全可靠地包裝單件產品。不同的產品在重量、尺寸和幾何形狀上都存在較大差異，這意味著它們需要不同的夾爪進行抓取，并且夾爪結構較為復雜。另外，需要將質量設計的盡可能輕，但同時保證足夠大的剛度，從而在操作期間節省耗能并保證運輸的安全。如此一來，導致對產品開發的要求越來越高，因為這種單個且復雜的夾持結構，對其經典設計的優化十分昂貴且耗時。

挑戰

貿易的發展使得客戶所需求的包裝種類越來越多。同時，可持續利用理念的日趨深入，對包裝、材料的要求也越來越高。在這些環境驅使帶動下，制造商必須非常迅速地適應市場。而這只能通過開發出更加靈活、更高性能的包裝機來實現，毫無疑問需要新技術的支持才能滿足對高度個性化包裝商品的需求，并減少材料和能源的耗費。

更高的要求與Gerhard Schubert GmbH的特定應用相契合。這家來自德國克賴爾斯海姆的家族企業要提供全新的包裝機，該機具有智能的模塊化設計，并為客戶帶來非凡的利益。用于夾持和運輸包裝托盤的新型夾持機構的開發也要滿足此要求。使用經典方法和軟件進行的優化未帶來令人滿意的結果，并且需要付出大量的開發精力。分析夾持組件的結果表明出現了應力集中和剛度不足的情況，這都是研究夾持機構的關注要點。為了實現輕量化的設計，必須采用新的方法。

解決方案

將創成式設計與增材制造相結合，有望提供可行的解決方案。借助創成式設計，可以快速、輕松地創建復雜的輕量化設計。只需較少的手動操作就可以使夾爪得以優化。生成的結構可以通過增材制造，以簡單的、數字化的和即時的方式進行生產；即使是非常輕且高度復雜的結構也很容易制造。

MSC Apex Generative Design是一款功能強大但易于使用的軟件。對于當前的案例，將初始幾何CAD模型導入到MSC Apex Generative Design中。優化結果是根據此幾何形狀進行設計的，設置必要的連接區域和設計空間，并使用PA12塑料作為材料。直觀的用戶界面及其強大的幾何功能使其可以在不到一個小時的時間內將復雜的初始幾何轉換為可直接打印的優化模型。在優化分析之前，只需要15分鐘即可完成添加邊界條件、設置優化的目標參數等準備操作。

圖 1: 從以待優化的CAD文件導入，到以待MSC Nastran驗證的CAD文件導出，整個過程都可以快速、完全的在MSC Apex Generative Design中完成。

圖 2: 隨后的更改可以使用幾何工具快速插入，然后只需幾次優化迭代就可以清晰而有意義地連接起來

結果

優化服務器只需要18分鐘即可創建輕量化設計。計算時間如此的短，給客戶更多機會去嘗試不同的參數和變量，從而選擇最合適的設計。例如，特別輕巧的結構，由于結構的復雜性而難以清洗。因此，最初選擇的是不太復雜的結構。重量僅為150克，做到了真正的輕量化-與原始（PA12）的340克相比，重量減輕了56％！

為了在特殊負載情況下提供額外的加固效果，客戶要求在中間部分插入十字形支柱。為此，工程師借助MSC Apex Generative Design中的幾何工具將它們粗略地插入到優化結構的正確位置中。優化算法對新結構進行了多次迭代處理，以創建平滑的連接和過渡。很明顯：盡管多了連接支柱，但重量幾乎沒有變化，該算法對優化結果平滑地連接了支柱，并在清除了其他區域的多余材料。軟件可以找到一個新的局部最優值來解決優化任務，這說明了創成式設計可以針對給定問題生成各種解決方案。

驗證與生產仿真

使用將面片體轉換為NURBS幾何的功能，將stl文件轉換為可編輯的CAD實體幾何。可以作為NURBS模型，使用熟悉MSC Nastran的算法進行驗證。結果表明，剛性顯著提高了四倍，載荷下的應力也顯著降低。

圖 3: 即使是復雜的結構，也只需簡單操作，就可以將基于NURBS的標準CAD格式轉換為其他標準格式

圖 4:打印塑料零件之前，使用復合材料增材制造仿真軟件對工藝進行評估，避免過度變形，對要求苛刻的夾持器獲得最大使用精度

下一步，對優化的夾爪工具進行工藝評估。為此，將其導入Digimat AM中，平放在虛擬工作臺上，然后生成網格以進行優化。分析表明，總組件變形很小，只有兩個外圍區域存在偏差。通過創建預變形的結構，可以使用Digimat AM補償這些偏差，以便直接構建出正確的結構。

同時，公司擁有金屬增材制造工廠，因此也對構建金屬結構進行了測試，并在更高的溫度條件下進行，選擇鋁合金材料進行優化。但是，由于安裝空間不足，在上支桿處拆分了結構，并添加了法蘭，以恰當且完整的方式進行了重新連接，并進行了優化迭代。然后使用Simufact Additive模擬現在由兩部分設計組成的結構。通過定位，確保兩部分結構都可以在打印平臺上進行打印。通過軟件，創建了所有必要的支撐結構并創建了網格。最終的結果也存在預期翹曲。借助變形補償，可以將其減少到最低。

圖 5: 使用Simufact Additive，模擬金屬增材制造工藝，可以優化定位、支撐結構和制造參數等，并且可以避免變形過大和應力集中等現象

圖 6: 零件與CAD文件的TARGET幾何形狀的偏差（左）

零件壁厚的偏差（右）

基本上均勻的綠色漸變表明變形低且材料分布均勻。面板的粉紅色是隨后在CAD中對徽標進行手動表面處理的結果。

圖 7: 零件的其中一個分支中有一些孔。但是，通過VGSTUDIO MAX進行的分析顯示，這些孔對夾爪在負載條件下的應用沒有影響

使用CT掃描數據分析零件

金屬夾爪采用鋁合金制成，并在生產后通過無損CT掃描進行檢查。使用VGSTUDIO MAX軟件分析所得的CT數據。可以在軟件中將詳細的數字圖像與原始CAD數據進行比較，以清楚地顯示偏差。從圖片中可以看到（圖6），生產過程顯示零件的支腿略有偏離，在掃描中還可以發現一些孔（圖7）（放大用于說明）。對變形和壁厚的分析（圖6）表明，零件總體上著色均勻，面板上的變形是由于之后手動插入的帶字母的區域引起的。向外的偏差可以被銑削掉而不產生任何影響。壁厚幾乎連續呈綠色，顯示出均勻、良好的材料分布，這是確保成功進行增材制造所必備的條件。

總結

該案例展示出了MSC Apex Generative Design和其他MSC工具的性能與優勢。除了強大的CAD導入功能可為優化模型提供簡單直接的操作準備外，各種設置都可以非常簡單地創建、優化結果可以非常快速地生成。之后的調整，例如，額外的支撐桿和法蘭，也可以設計并優化集成，只需單擊幾下鼠標，即可得到基于NURBS的CAD格式，并可以使用MSC Nastran進行直接驗證。然后，可以使用Digimat-AM和Simufact Additive來仿真并優化生產，從而保證優質的打印結果。CT掃描用于檢查實際成分， 使用VGSTUDIO MAX進行的數據分析顯示出總體結果十分良好，通過MSC Software進行數字設計和制造仿真，為生產和使用做好最佳準備。