創(chuàng)成式設(shè)計+3D打印+鑄造,成就輕量化零件

lydiazhang   2018-01-22 16:00:58

當(dāng)前在3D打印領(lǐng)域,提到最多的可能是拓?fù)鋬?yōu)化,而不是創(chuàng)成式設(shè)計。雖然很多場合二者都是混為一談的,但細(xì)究起來創(chuàng)成式設(shè)計(Generative Design)是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)整來找到一個(優(yōu)化)模型。拓?fù)鋬?yōu)化(Topology Optimization)是對給定的模型進(jìn)行分析,常見的是根據(jù)邊界條件進(jìn)行有限元分析,然后對模型變形或刪減來進(jìn)行優(yōu)化。

創(chuàng)成式設(shè)計(Generative Design)是一個人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設(shè)計意圖,通過”創(chuàng)成式”系統(tǒng),生成潛在的可行性設(shè)計方案的幾何模型,然后進(jìn)行綜合對比,篩選出設(shè)計方案推送給設(shè)計者進(jìn)行最后的決策。

通俗理解創(chuàng)成式設(shè)計是一種通過設(shè)計軟件中的算法自動生成藝術(shù)品、建筑模型、產(chǎn)品模型的設(shè)計方法。創(chuàng)成式設(shè)計是一種參數(shù)化建模方式,在設(shè)計的過程中,當(dāng)設(shè)計師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后,算法將自動進(jìn)行調(diào)整判斷,直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計。目前比較著名的創(chuàng)成式設(shè)計軟件包括歐特克的Within,歐特克的Dreamcatcher,西門子的Solid Edge ST10等。

創(chuàng)成式設(shè)計將激發(fā)設(shè)計師通過手動建模不易獲得的思想靈感,創(chuàng)造出擁有不尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計作品。3D打印技術(shù)由于可以將復(fù)雜的設(shè)計轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實,注定已成為創(chuàng)成式設(shè)計的“好伙伴”。

那么創(chuàng)成式設(shè)計的零件為什么不同過我們所熟悉的粉末床激光熔融方式來加工呢?通過視頻,我們可以了解到,通過選擇性激光熔融加工方式的成本大概是3D打印精密模具+鑄造總成本的3倍。

此外,視頻中通過voxeljet-維捷的3D打印精密模具的方式,選用的是PMMA亞克力材料來制作精密模具,亞克力不僅經(jīng)濟(jì)性高,而且材料的負(fù)收縮率解決了精密鑄造容易出現(xiàn)的漲殼現(xiàn)象,使得尤其適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密鑄造。

通過創(chuàng)成式設(shè)計輕量化的飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)件,歐特克位于 San Francisco的9號碼頭創(chuàng)新工廠嘗試通過3D打印熔模來鑄造鎂合金,從而實現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī),預(yù)計可以通過減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬美元的成本。


另外胞元結(jié)構(gòu)是通過歐特克的netfabb軟件設(shè)計成的,歐特克的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),這種胞元結(jié)構(gòu)通過金屬打印的方式生產(chǎn)出來并不是當(dāng)前最好的方法,他們結(jié)合了現(xiàn)代的3D打印PMMA精密鑄造模具的制造方法與傳統(tǒng)的鑄造方法。雖然,金屬3D打印在推動制造業(yè)跨越式發(fā)展,并能夠生產(chǎn)非常復(fù)雜的產(chǎn)品,但目前材料選項仍然有限。目前增材制造支持的材料只有幾十種,但鑄造可以在成千上萬種的金屬和復(fù)合材料中進(jìn)行選擇。因此,該項目利用了3D打印的技術(shù)優(yōu)勢,而不完全依賴于3D打印技術(shù)。


利用3D打印和鑄造,使兩種方法相互補(bǔ)充來生產(chǎn)飛機(jī)座椅骨架。鑄造提供了更實惠的方式生產(chǎn)座椅框架,不僅僅是單件成本更低,從生產(chǎn)效率看適合生產(chǎn)更大的數(shù)量。歐特克的9號碼頭創(chuàng)新工廠,配備了一系列的3D打印技術(shù)和數(shù)控機(jī)床,但9號碼頭并不具備鑄造能力。為此,歐特克與Aristo Cast鑄造公司合作了這個項目。

Aristo Cast鑄造公司通過這個項目了解了更多關(guān)于先進(jìn)的設(shè)計和優(yōu)化技術(shù),這些對于傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)還是很新的。雙方經(jīng)過一系列的探討,最終決定用鎂合金來完成鑄造過程。當(dāng)然,根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究,鎂合金的鑄造過程并不容易,采用不同的型殼體系,或者澆注前對型殼的焙燒工藝不同,鎂合金冷卻的過程也不相同,得到的鑄件組織也不同。并且還需要注意解決鎂合金在熔煉和澆注過程中的氧化和燃燒問題。

基于鎂合金零件的鑄造是一個復(fù)雜的過程,雙方將模型進(jìn)行了謹(jǐn)慎的鑄造仿真。通過Netfabb軟件進(jìn)行模型的修改,再通過鑄造仿真確認(rèn)其性能。更新后的三維模型,在3D打印完成后,被送到Aristo Cast,在3D打印的塑料外層涂覆了陶瓷涂層,隨后塑料加熱蒸發(fā),陶瓷殼變硬了,最后將鎂合金注入到型腔中,完成鑄造過程。最終,飛機(jī)座椅骨架減重了56%,減重來自于創(chuàng)成式設(shè)計,以及輕量化鎂合金材料。

最終,通過輕量化設(shè)計和3D打印已經(jīng)將飛機(jī)座椅骨架實現(xiàn)了減重,而鎂合金比鋁輕35%,通過材料的選擇,又進(jìn)一步將座椅骨架減重。這對商業(yè)航空公司意味著什么?如果以100架A380飛機(jī)服役20年來計算,航空公司將節(jié)省2億多美元的燃料費用。這好比8萬輛汽車一年減少的126000噸的二氧化碳排放量。

當(dāng)然正如視頻中所提到,并非是所有的胞元結(jié)構(gòu)都適合通過精密鑄造的方式來制造,在設(shè)計的過程中,必須要考慮到如何去除金屬胞元結(jié)構(gòu)間隙間的鑄造殘留物,有時候這些殘留物是無法去除的。

此外,當(dāng)你鑄造完成的零部件還需要CNC機(jī)床加工的時候,在設(shè)計的過程中還需要考慮到機(jī)床加工過程的裝夾需求,將這些部位體現(xiàn)在設(shè)計中。

總之,實現(xiàn)輕量化,創(chuàng)成式設(shè)計與3D打印模具以及與鑄造的結(jié)合,是加工大型結(jié)構(gòu)件值得思考和采用的方案。

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