在一項聯合創新項目中，德國鐵路（Deutsche Bahn）、SLM Solutions公司聯合海克斯康對貨運列車鉸鏈的傳統設計進行了優化，并借助增材制造技術實現了重新開發。得益于海克斯康旗下的MSC Apex仿真平臺生成式設計帶來的重量優化成果，這些部件能夠通過3D打印實現更具成本效益的生產。

面臨挑戰

貨運列車等設備資產壽命長達數十年，導致備件難以長期儲備。設備故障時，備件采購成為運營商的嚴峻挑戰：運營商與制造商常需在缺乏原始生產工具甚至設計數據的情況下，設法制造單個替換部件以維持運行。

傳統制造工藝（如模具制作）生產老舊零件周期長、成本高，且依賴頻繁的設備調整。增材制造（3D打印）則提供了突破性方案——無需模具即可靈活快速生產備件，這對緊急搶修至關重要。然而，現有零件設計往往不適配增材制造，可能因需熔化大量材料而增加生產時間和成本（主要受材料與設備運行時間驅動）。因此，制造商亟需一種能夠快速生成定制化零件設計且節省人力的方案。

集成式輕量化設計方案

本項目需要優化的部件是用于礦石運輸的開放式轉向架散裝貨車的自動耦合器切換軸。該部件可使列車操作員在15米長車廂的手動/自動耦合模式間切換，并手動解除載貨空間超60立方米的貨運車廂駐車制動。

在優化過程中，首先將原始部件導入MSC Apex Generative Design軟件平臺。利用幾何工具在現有空間基礎上擴展了設計空間（即算法允許布置材料的區域）。原部件材料為可鍛鑄鐵，為適配增材制造工藝需求，更改為316L不銹鋼材質。功能表面預留了后續切削加工的余量，并作為非設計區域鎖定以避免被算法修改。通過整合運行過程中產生的各類作用力，將其歸納為載荷工況輸入系統。隨后啟動優化程序，通過設定不同的最大允許應力閾值，直接生成多種輕量化設計方案。

通過優化獲得的最優方案成功將部件重量減輕至原設計的50%。借助MSC Apex Structures平臺對優化結果進行有限元分析復查發現：相較于原設計的實體結構，新設計的載荷變形量雖有所增加（達到0.5毫米），但仍處于非臨界范圍。更具實際意義的是，通過大幅降低重量和體積實現了增材制造成本的顯著縮減。即使在關鍵受力區域，應力值仍低于316L不銹鋼材料的許用應力極限。

通過MSC Apex Generative Design，即使不具備專業的仿真專業知識，也能以極短的時間投入完成傳統零件設計的優化改造，使其成功適配增材制造工藝要求。

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傳統設計（上圖A&B）與減重50%的優化設計（下圖C&D）對比顯示：受設計空間限制，兩種方案均在中下部出現應力集中（對比A與C）；負載形變方面（對比B與D），兩者頂部區域變形最為顯著，但仍處于公差允許范圍內。

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如上圖所示，左側預變形部件的測量結果顯示其變形量（上圖）明顯低于右側未經優化的部件。通過采用Simufact Additive軟件進行工藝模擬，在此案例中成功實現了零件質量的顯著提升。（數據來源：SLM Solutions公司）

工藝仿真與變形補償

使用Simufact Additive進行的工藝仿真成功解決了該部件打印過程中的兩大關鍵挑戰：支撐結構優化與形變補償。生成的幾何數據被導入仿真軟件，并在數小時內完成全面計算。在此過程中，可對整個生產工藝（包括后處理步驟）進行設置和模擬，例如從構建平臺上移除部件以及熱處理等環節。

通過優化打印定位方向，可在減少支撐結構使用的同時實現盡可能理想的打印效果。此外，該軟件還能檢測打印過程中產生的形變，并據此調整CAD幾何模型，使最終成品幾何形狀高度接近設計目標。

為驗證實際效果，項目合作方SLM Solutions公司使用SLM 280 2.0 Twin設備制造了四個不銹鋼部件（尺寸約15×9×3厘米），其中兩個采用補償設計，兩個未補償。打印作業耗時14小時，采用50微米層厚共沉積約1800層。隨后對部件進行精度及變形量檢測發現：預變形部件的變形程度顯著低于未優化部件，充分證明虛擬制造仿真技術對提升零件質量和尺寸精度具有決定性優勢。

▼上圖中展示的四個316L不銹鋼測試件以50微米層厚打印完成，仍固定在構建平臺上并保留支撐結構。（數據來源：SLM Solutions公司）

項目總結

本項目案例成功實現部件的重量減半，并通過預變形補償顯著降低了生產引發的形變量。MSC Apex創成式設計方案可幫助用戶能夠以極少的時間投入對傳統零件設計進行優化，使其適配增材制造工藝。結合金屬增材制造仿真工具Simufact Additive和聚合物專用工具Digimat-AM，用戶無需自身專業知識即可應用增材技術。通過這些工具可生成適應制造需求的最優結構并優化生產流程，并且對生成結構的制造仿真可優化變形和殘余應力等關鍵生產因素，從而實現高質量零件制造。