3D打印的最大優勢是用來制造那些傳統方式實現不了的設計，包括薄壁，復雜的形狀，這樣的設計通過傳統制造工藝無法制造出來，從而實現產品性能的提升。

將3D打印用于傳統加工工藝難以實現的創新產品的制造，這不僅僅體現在直接的金屬或塑料產品的3D打印應用領域，還體現在包括與鑄造相結合的間接的產品制造領域。隨著3D打印與鑄造的結合，鑄造作為產品“誕生”的“源頭”，其決定產品核心競爭力的價值將顯現，3D科學谷的判斷是這個行業不再被誤讀為“傻大笨粗”，而是成為企業發展核心競爭力的體現，因為通過3D打印與鑄造工藝的結合可以從源頭決定一個產品的創新程度。

將來，很多大型企業將改變將鑄造外包給鑄造廠的模式，而是將鑄造將作為核心關鍵的一環納入到企業內部的生產運營中，這個過程中或將發生鑄造廠被并購的現象。

當然，改變現狀并非易事，在3D打印與鑄造工藝結合的應用層面上，存在的普遍誤區是，僅僅發揮了3D打印不需要模具的特點，將3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于產品的試制開發階段，加工的還是傳統設計的產品，并沒有用于創新設計產品的制造。

本期，谷.專欄通過Altair與voxeljet-維捷合作的輕量化農業機械的懸架部件來與谷友共同領略通過3D打印與鑄造的結合，如何實現結構件更輕的重量和更平滑的結構過渡，從而減少了剛度變化。

項目介紹

德國著名的農機企業阿瑪松公司（Amazone）開發和生產具有高標準質量且具有創新技術農業機械，支持現代化、經濟的耕作方法。 考慮到這些標準，Amazone利用先進的開發工具，流程和制造方法為客戶的成功做出貢獻。

農業機械在極其惡劣和極端變化的條件下使用。 除了服務質量和備件的可用性之外，產品壽命是農民需要考慮的主要購買標準。 在開發新產品時，制造商不僅要在價格上具有競爭力，還必須考慮產品的耐用性，因為這方面會影響制造商在市場上的聲譽。

挑戰

在過去十年中，農業機械和相關設備的效率大幅提高。 通過提高地面覆蓋率，例如，更高的吞吐率、擴大的切割單元和更高的儲罐容量，整體生產率得到顯著提高。 但是，對于惡劣的操作條件，設備必須仍然足夠堅固，并且設計改進不得導致最終產品的更高價格。

這是新的開發和制造流程發揮作用的地方。 除了通過使用特定于負載的結構設計在生產過程中節省的材料資源之外，還可以通過有針對性的、面向制造的優化開發流程來提高產品耐用性和重量，并且最終用戶無需額外成本。Amazone最近進行了一個項目，對土壤耕作裝置的懸架部件進行了優化，以評估部件的材料使用和耐久性。 該裝置是牽引式圓盤耙，Catros-2TS，由拖拉機牽引，可用于不同的配置。 緊湊型圓盤耙用于劇烈攪拌和淺耕（工作深度達15厘米）。

輕量化這一組件為農民提供了另一項好處。使用更輕的懸架部件，農民在可供選擇附加設備上可能有更多的選擇。例如，如果需要，他可以選擇較重的滾輪進行更密集的土壤重新固結，并且使用較輕的懸架部件不會超過總體允許的軸載荷。

解決方案

從焊接結構到鑄造部件

最初，Catros-2TS是一個相當復雜的焊接部件，重量為245千克，包括加入單個部件所需的總共16.5米的焊縫。 這種焊接量使生產非常耗費時間和成本。 每年大約生產350個這種組件。 為了實現優化組件制造工藝和延長其使用壽命的目標，Amazone工程師不僅對組件的設計進行了仔細研究，還評估了新的制造方法與拓撲優化相結合可能帶來的潛在好處。

優化懸架部件的仿真和鑄造技術

第一步是評估使用鑄造工藝生產的部件的重量減輕和性能提升。為此，工程師進行了前期拓撲優化。 此外，Amazone采用仿真驅動的設計流程來消除不必要的設計迭代，并更快地完成最終設計。 這些任務由Altair的結構求解器和優化工具OptiStruct和Inspire處理。

工程師期望鑄造方法有幾個優點。 由于組件可以一體鑄造而不需要焊接，因此生產更簡單，并且該過程不易出錯。 由于使用優化工具創建的優化結構設計，工程師希望看到制造過程顯著降低成本和優化的潛力。

為了優化結構，工程師們使用了Altair Inspire。 首先，他們定義了可能的設計空間和邊界條件，例如載荷、所需剛度和制造限制。還定義了結構不被修改的非設計空間區域，例如在支撐點或圓柱連接處。通過定義和應用對稱平面進一步減少了計算時間，這有助于更快地獲得結果。通過這些輸入，軟件計算出需要多少材料以及必須放置哪個位置以滿足結構強度等要求。

從優化結果中，工程師創建了詳細設計，然后使用OptiStruct在有限元分析中進行評估。 與焊接結構相比，鑄造結構實現了更輕的重量和更平滑的結構過渡，從而減少了剛度變化。 與原始組件的焊縫中的載荷相比，新設計的鑄造材料的總載荷顯著降低。 由于鑄件的負載特定結構，隨后的物理測試顯示耐久性增加了2.5倍，而重量減少了8%。

總結

新的懸架部件已經投入使用，與之前的焊接結構相比，Amazone的制造成本降低了三分之一。 由于鑄模的可重復使用性，模具成本很快就能攤銷。 客戶可以從附加模塊的更高靈活性和更長的產品壽命中受益。

目前，Amazone工程師正在利用拓撲優化和3D打印的組合，進一步優化鑄件結構和制造工藝。 Altair與其合作伙伴voxeljet-維捷展示了這種方法的最佳實踐案例。在這個過程中，使用3D打印創建了一個失蠟鑄造模具，并且該組件的結構經過優化并受到自然形狀的啟發，完全符合3D打印的要求。仿真和優化運行已經結束，并且可以進一步節省約11%的重量，同時將耐久性和剛度保持在與鑄造部件相同的水平。最終成本計算仍在進行中，并且將成為Amazone決定是否將此流程用于批量生產的關鍵因素之一。在Altair Inspire中精煉優化的幾何形狀與焊接結構相比，鑄造結構實現了更輕的重量和更平滑的結構過渡，從而減少了剛度變化。

來源：3D科學谷