增材制造—為金屬工業(yè)設(shè)計零部件以功能為導(dǎo)向創(chuàng)造了機會

文／馬麗華·西馬克集團

作為一種全新的制造工藝，3D 打印業(yè)已對傳統(tǒng)制造（減材）工藝形成了實實在在的替代。西馬克集團已經(jīng)成功地利用增材制造來生產(chǎn)某些零部件并應(yīng)用于煉鋼和鍛造行業(yè)，盡管這些工藝過程往往以環(huán)境條件嚴苛、高溫而著稱。本文中，西馬克集團的專家Sarah Hornickel 先生介紹了增材制造的設(shè)計原理、該技術(shù)的諸多優(yōu)勢及其在西馬克集團內(nèi)部應(yīng)用的實例。

以實現(xiàn)功能為目標而無需考慮如何制造的設(shè)計理念

要充分發(fā)揮3D 打印技術(shù)的潛力，非常關(guān)鍵的一點是徹底拋棄傳統(tǒng)的從如何制造出發(fā)的設(shè)計思路，再也不需要考慮來料的幾何形狀，更不需要考慮具體的加工方法的特殊要求，包括銑、鉆等等。零部件的設(shè)計需要推倒重來，這是一種嶄新的模式?，F(xiàn)在，利用增材制造，零部件的外形設(shè)計嚴格圍繞零部件的功能而定，而且僅僅考慮功能即可，這意味著首先要分析每一個部分甚至每一個組裝件的功能。

在弄清楚了該部件的功能或要達到的目的之后，其形狀可隨之調(diào)整。與傳統(tǒng)制造方式不同，增材制造不需要考慮加工車間現(xiàn)有加工工具的限制，因為完全用不到加工工具。舉例來說，液壓閥塊的內(nèi)部通道就可以做成一種更符合流量優(yōu)化的形狀。傳統(tǒng)制造加工出的內(nèi)部通道截面一般是長方形，會造成顯著地流速損失，由此還會導(dǎo)致通道內(nèi)部污垢沉積；用3D 打印可以將流體通道設(shè)計地更加流暢和順滑，將流速損失降到最小，流速也更均勻，如圖1 所示。

由圖1 可知，傳統(tǒng)鉆孔工藝的流體通道中液體的流速在縱剖面上是不均勻的，在急彎處（藍色區(qū)域），液體是停滯不流動的；與此形成鮮明對比的是，在增材制造的通道中整個幾何剖面上液體流速幾乎是均勻一致的。由于流速均勻，從而消除了通道內(nèi)的紊流，同時也降低了能耗。液壓閥塊內(nèi)流量優(yōu)化的外形變化還可能對外圍設(shè)備的尺寸帶來影響，比如液壓泵站就可以更小。

設(shè)計實例：潤滑分配器

潤滑分配器就是應(yīng)用此類流體通道優(yōu)化的實際案例之一。分配器的功能是分配和傳送兩種介質(zhì)：水和潤滑液。對這個零件來說空間是個挑戰(zhàn)，因為分配器的外徑不能超過48mm。

傳統(tǒng)設(shè)計是在一件實心圓柱體的三個維度上鉆幾個通道，其難度可想而知。然而增材制造任何奇怪的形狀都可以做出來，所以分配器的內(nèi)孔可以安排的相當緊湊。當然，設(shè)計必須滿足零部件應(yīng)用工藝的特性，成本也是必須要考慮的。

一方面，零部件的高度應(yīng)該盡可能地低，零部件的打印時間越長，機器的占用時間就越長；另一方面，將零部件設(shè)計成直立的長條狀是最優(yōu)化的打印平臺方案，也有助于提高生產(chǎn)效率，所以必須在這兩者之間找到最優(yōu)的折中點。

潤滑分配器（圖2）設(shè)計成直立的長條狀必然導(dǎo)致加工時間較長，但兩個很關(guān)鍵的原因決定了這一設(shè)計：一是介質(zhì)通道要求12mm 的內(nèi)徑，如果做成扁平狀，就需要對通道內(nèi)壁增加額外支撐；二是零部件的附加支撐越多，后續(xù)的加工就越復(fù)雜，在零件成形后，其他孔必須做二次加工以連接螺紋，這些支撐（圖2藍色部分）在二次加工過程中可以很容易的去掉。理想的增材制造零件的設(shè)計幾乎沒有支撐結(jié)構(gòu)，因此零件是自支撐的。

應(yīng)用實例：擠壓機上用的軸承座

軸承座是擠壓機喂料系統(tǒng)的一個零部件，其功能是為液壓缸拉桿提供支撐和導(dǎo)向，整套擠壓機上會用到很多這種零部件。由于磨損，該零部件使用一段時間后就得更換，但是不同零部件的磨損速度不同，只有嚴重磨損的才需要更換，因此客戶對備件的需求數(shù)量并不多，但是要求備件的交貨期必須非常短，否則整個擠壓機必須停機，客戶就無法繼續(xù)生產(chǎn)。

過去該零部件采用鑄造工藝，制備模具、鑄造、后期加工，導(dǎo)致供貨周期很長?，F(xiàn)在，使用激光粉床熔融技術(shù)，西馬克集團可以在幾天內(nèi)向客戶交付備件；同時，也不需要在德國制造，因為可以在全球任何地方生產(chǎn)。未來，只需將零件的CAD 數(shù)據(jù)文件發(fā)送到靠近客戶的一臺3D 打印機上，即可完成制造。

使用逐層制造的方式制造零部件，僅僅拷貝零部件的外形而不針對這種技術(shù)對其進行改變和調(diào)整是不行的，因此有必要對這種軸承座進行重新設(shè)計。為了實現(xiàn)增材制造的各種優(yōu)勢，需要分析零件當前的負荷，并進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖3）來找到最佳的形狀來承托這一負荷。進行計算前，首先要界定哪些地方是不能改變設(shè)計的，比如零件的安裝固定點不變，需要承托導(dǎo)向的液壓桿直徑不變等。

對經(jīng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的外形進行重新設(shè)計后，要進行進一步的有限元分析。結(jié)果證明，新設(shè)計具有更高的強度，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，安全系數(shù)也提高了。另外由于節(jié)省了材料，軸承座的重量也減輕了；因為可以按需生產(chǎn)備件，備件的庫存成本也可以省掉。傳統(tǒng)方式與增材制造生產(chǎn)的軸承座對比見圖4。

應(yīng)用實例：SIS 射流器

噴射系統(tǒng)的射流器(SIS)，它是集成在電弧爐(EAF)上的一個零件。這一零件將燒嘴和噴射系統(tǒng)結(jié)合在一起，用于熔煉廢鋼。爐內(nèi)形成的巨大、穩(wěn)定的火焰可以熔化爐子冷區(qū)的廢料。該零件的功能是在各預(yù)定義階段傳送、加速和混合介質(zhì)。

SIS 射流器的傳統(tǒng)設(shè)計基于焊接組件，由八個獨立的部件構(gòu)成，重量約18kg。其形態(tài)碩大，空間受限，安裝困難。另外，這種焊接組件的制造成本也很高。

為了減少射流器的部件數(shù)量、減小體積，對其進行了新的設(shè)計（圖5）。增材制造設(shè)計的該部件為一體式，重量減輕了80%；由于銅合金有著良好的熱傳導(dǎo)特性，采用了銅合金材質(zhì)，如圖6 所示；此外，還對所采用的拉瓦爾噴嘴的優(yōu)化形狀進行了計算。

在采用激光粉床熔融的方式對金屬進行制造的過程中，其幾何形狀是自支撐的，所以構(gòu)建過程中部件內(nèi)部沒有任何支撐結(jié)構(gòu)。

這件SIS 射流器在德國埃森Gas und W?rme Institut(GWI)公司進行了實際工況(操作溫度1500℃)下的運行測試，目的是分析在不同空氣當量時火花塞在引燃模式下的點火效果，并設(shè)定穩(wěn)定的引燃操作。在安裝到電弧爐之前，采用增材制造的SIS 射流器配備了大量測量技術(shù)以記錄運行期間的壓力和溫度，如圖7 所示。

提供增材制造設(shè)計服務(wù)

西馬克集團向市場提供增材制造零部件的設(shè)計服務(wù)。我們的專家將協(xié)助客戶辨識并分析適合增材制造的零部件，進而進行設(shè)計優(yōu)化和過程模擬。通過這種服務(wù)，客戶可獲得的好處是：增材制造機械零部件的多年設(shè)計經(jīng)驗、利用計算和優(yōu)化軟件獲得理想的零部件設(shè)計、獲得增材制造業(yè)界良好的網(wǎng)絡(luò)資源。

總結(jié)

作為重型機械設(shè)備制造行業(yè)的一員，西馬克集團已經(jīng)實施了一大批基于數(shù)字化3D 設(shè)計數(shù)據(jù)的機械零部件的創(chuàng)新解決方案，充分展示了增材制造工藝所帶來的巨大優(yōu)勢。其中最重要的優(yōu)勢包括，動態(tài)運動部件的重量顯著減輕，優(yōu)化流體動力模式并提高了能源效率，簡化了安裝和調(diào)試步驟，簡易的定制化設(shè)計，大大縮短交貨期，實現(xiàn)本地化生產(chǎn)的可能性等。增材制造，帶來了無可比擬的新的制造機會，有效幫助了西馬克集團諸多客戶顯著提升了設(shè)備性能。