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3D打印設計戰略:是優化原有設計還是從零開始設計?

來源:網絡

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:3D打印,設計

      制造商在面對引入增材制造的時候,通常思路會不由自主的鎖定要用3D打印技術來加工當前為機加工而設計的零件,有的時候出發點是專注于生產效益,比如說為了節省材料,因為通過機加工往往需要切除大量的金屬材料。而就目前的3D打印尤其是金屬3D打印成本來說,除非加工的是比較貴重的金屬,通常為了節約材料而引入3D打印往往會發現3D打印帶來的單件成本更高。

      那么制造商通常會感到困惑,一方面無論是政府層面還是社會各界,都在強調應該給予增材制造足夠的重視,而另一方面增材制造技術如何與現有的生產技術結合卻是件讓人迷茫的事情。本期,通過案例來與網友一起體驗增材制造的引入需要做的戰略準備。

      為了更好的理解增材制造設計思路的出發點有哪些,引用金屬3D打印設備制造商雷尼紹的分類方式:生產效益往往包括更少的材料浪費,更少的模具費用,更短的加工時間,更簡單的組裝要求,自動化等等;產品效益包括更輕的產品(例如:輕量化節約燃油等等),更快的新產品投放速度,更高的產品可靠性,更高的產品性能,更好的適應性,更具吸引力的產品,減少庫存,更快的反應性。

      產品效益(綜合效益)是制造商容易忽視的一個思路方向,要提高產品效益就需要在現有的零件基礎上進行為了增材制造而設計的產品性能結構優化,或者是拋開現有的產品設計,從零開始完全為了增材制造而設計。

      當然,要提醒的是并不是每個制造商都有自由度制造新設計的零件,通常一個新設計的零件要通過重重認證是非常困難的事情。在這種情況下,只考慮產品的生產效率是對的。

      案例研究-液壓歧管

      先看一下液壓岐管常見的設計問題:下圖是一個經典的能承受200-500 bar壓力的液壓歧管。這個組件包括一個簡單的電路組成的雙止回閥、磁閥及其相關的出口端口。

      上圖:液壓岐管的關鍵組成結構

      常規設計-液壓塊

      傳統的液壓塊如下圖,這種設計重量是4.6公斤(10磅)。

      這種傳統閥塊的好處是:設計階段是相對直來直去。它的局限性是我們得到的是次優的流體傳熱性能,并且由于交叉鉆孔管道網絡的加工限制,使得閥塊大又重。不僅多用了材料還帶來了閥塊性能上的妥協,而且在內部通道中還需要八個額外的壓塞部件來調整內部壓力。

      增材制造設計戰略-在原有基礎上優化

      從優化產品的性能來出發,從提取流體路徑開始,包括那些交叉鉆孔設計,這跟傳統機械加工從一個堅實的金屬塊開始不同,這一步需要把傳統加工流體并不通過而只是為了加工需求而鉆的孔的這部分設計去掉,留下那些流體會經過的管道和功能歧管。

      通過雷尼紹的AfAM設計平臺,軟件計算提取的管道所需要承擔的壓力要求,然后決定增材制造的加工方向,并且增加管路之間的連接結構為管路成為一個整體提供有效支撐,并且在增材制造過程中實現支撐目的。最后來決定那些需要通過機加工進一步車削來實現精確的接口的部分。

      通過這個過程,液壓閥塊達到只有1公斤的重量(2.2磅),減重了78%。不僅減重,還帶來了改進的流量性能,并且沒有壓力插頭。

      我們了解到如此好的進展仍有一定的局限性。一方面,水平通道部分需要支撐,所以事先必須留有足夠的材料來實現支撐目的。另外,這樣輕量化的部件自然不如原來的閥塊剛性強,這些因素都可能會使加工過程復雜化。

      增材制造設計戰略-為增材制造而從零開始設計

      完全的排開原有的產品設計,從零開始的設計是可能的嗎?當然,這一切能實現的基礎是圍繞著產品的性能要求。

      在實現產品性能的過程中,設計上一方面可以將所有的閥門都指向同一個方向,這樣減少了對支撐的需要,同時也最大限度地減少所需的連接通道的材料。

      緊湊的設計也從本質上提高了組件的剛性。不僅如此,還可以鞏固出口的設計,這樣的設計方法帶來了重量僅0.4公斤(0.88磅)的結果。

    (審核編輯: 滄海一土)

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