文／馬麗華·西馬克集團(tuán)

作為一種全新的制造工藝，3D 打印業(yè)已對(duì)傳統(tǒng)制造（減材）工藝形成了實(shí)實(shí)在在的替代。西馬克集團(tuán)已經(jīng)成功地利用增材制造來(lái)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(guò)程往往以環(huán)境條件嚴(yán)苛、高溫而著稱。本文中，西馬克集團(tuán)的專家Sarah Hornickel 先生介紹了增材制造的設(shè)計(jì)原理、該技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)及其在西馬克集團(tuán)內(nèi)部應(yīng)用的實(shí)例。

以實(shí)現(xiàn)功能為目標(biāo)而無(wú)需考慮如何制造的設(shè)計(jì)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(diǎn)是徹底拋棄傳統(tǒng)的從如何制造出發(fā)的設(shè)計(jì)思路，再也不需要考慮來(lái)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(jì)需要推倒重來(lái)，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(jì)嚴(yán)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(gè)部分甚至每一個(gè)組裝件的功能。

在弄清楚了該部件的功能或要達(dá)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?yàn)橥耆貌坏郊庸すぞ?。舉例來(lái)說(shuō)，液壓閥塊的內(nèi)部通道就可以做成一種更符合流量?jī)?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(zhǎng)方形，會(huì)造成顯著地流速損失，由此還會(huì)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(jì)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(lán)色區(qū)域），液體是停滯不流動(dòng)的；與此形成鮮明對(duì)比的是，在增材制造的通道中整個(gè)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(shí)也降低了能耗。液壓閥塊內(nèi)流量?jī)?yōu)化的外形變化還可能對(duì)外圍設(shè)備的尺寸帶來(lái)影響，比如液壓泵站就可以更小。

設(shè)計(jì)實(shí)例：潤(rùn)滑分配器

潤(rùn)滑分配器就是應(yīng)用此類流體通道優(yōu)化的實(shí)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(rùn)滑液。對(duì)這個(gè)零件來(lái)說(shuō)空間是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榉峙淦鞯耐鈴讲荒艹^(guò)48mm。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是在一件實(shí)心圓柱體的三個(gè)維度上鉆幾個(gè)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(lái)，所以分配器的內(nèi)孔可以安排的相當(dāng)緊湊。當(dāng)然，設(shè)計(jì)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(shí)間越長(zhǎng)，機(jī)器的占用時(shí)間就越長(zhǎng)；另一方面，將零部件設(shè)計(jì)成直立的長(zhǎng)條狀是最優(yōu)化的打印平臺(tái)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(diǎn)。

潤(rùn)滑分配器（圖2）設(shè)計(jì)成直立的長(zhǎng)條狀必然導(dǎo)致加工時(shí)間較長(zhǎng)，但兩個(gè)很關(guān)鍵的原因決定了這一設(shè)計(jì)：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(duì)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(lán)色部分）在二次加工過(guò)程中可以很容易的去掉。理想的增材制造零件的設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有支撐結(jié)構(gòu)，因此零件是自支撐的。

應(yīng)用實(shí)例：擠壓機(jī)上用的軸承座

軸承座是擠壓機(jī)喂料系統(tǒng)的一個(gè)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(jī)上會(huì)用到很多這種零部件。由于磨損，該零部件使用一段時(shí)間后就得更換，但是不同零部件的磨損速度不同，只有嚴(yán)重磨損的才需要更換，因此客戶對(duì)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(gè)擠壓機(jī)必須停機(jī)，客戶就無(wú)法繼續(xù)生產(chǎn)。

過(guò)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(zhǎng)。現(xiàn)在，使用激光粉床熔融技術(shù)，西馬克集團(tuán)可以在幾天內(nèi)向客戶交付備件；同時(shí)，也不需要在德國(guó)制造，因?yàn)榭梢栽谌蛉魏蔚胤缴a(chǎn)。未來(lái)，只需將零件的CAD 數(shù)據(jù)文件發(fā)送到靠近客戶的一臺(tái)3D 打印機(jī)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(duì)這種技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改變和調(diào)整是不行的，因此有必要對(duì)這種軸承座進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)增材制造的各種優(yōu)勢(shì)，需要分析零件當(dāng)前的負(fù)荷，并進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖3）來(lái)找到最佳的形狀來(lái)承托這一負(fù)荷。進(jìn)行計(jì)算前，首先要界定哪些地方是不能改變?cè)O(shè)計(jì)的，比如零件的安裝固定點(diǎn)不變，需要承托導(dǎo)向的液壓桿直徑不變等。

對(duì)經(jīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后的外形進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，要進(jìn)行進(jìn)一步的有限元分析。結(jié)果證明，新設(shè)計(jì)具有更高的強(qiáng)度，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)榭梢园葱枭a(chǎn)備件，備件的庫(kù)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(duì)比見(jiàn)圖4。

應(yīng)用實(shí)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(gè)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(jì)基于焊接組件，由八個(gè)獨(dú)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(duì)其進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)（圖5）。增材制造設(shè)計(jì)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(duì)所采用的拉瓦爾噴嘴的優(yōu)化形狀進(jìn)行了計(jì)算。

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

這件SIS 射流器在德國(guó)埃森Gas und W?rme Institut(GWI)公司進(jìn)行了實(shí)際工況(操作溫度1500℃)下的運(yùn)行測(cè)試，目的是分析在不同空氣當(dāng)量時(shí)火花塞在引燃模式下的點(diǎn)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(cè)量技術(shù)以記錄運(yùn)行期間的壓力和溫度，如圖7 所示。

提供增材制造設(shè)計(jì)服務(wù)

西馬克集團(tuán)向市場(chǎng)提供增材制造零部件的設(shè)計(jì)服務(wù)。我們的專家將協(xié)助客戶辨識(shí)并分析適合增材制造的零部件，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和過(guò)程模擬。通過(guò)這種服務(wù)，客戶可獲得的好處是：增材制造機(jī)械零部件的多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、利用計(jì)算和優(yōu)化軟件獲得理想的零部件設(shè)計(jì)、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(jī)械設(shè)備制造行業(yè)的一員，西馬克集團(tuán)已經(jīng)實(shí)施了一大批基于數(shù)字化3D 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的機(jī)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(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)。其中最重要的優(yōu)勢(shì)包括，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)部件的重量顯著減輕，優(yōu)化流體動(dòng)力模式并提高了能源效率，簡(jiǎn)化了安裝和調(diào)試步驟，簡(jiǎn)易的定制化設(shè)計(jì)，大大縮短交貨期，實(shí)現(xiàn)本地化生產(chǎn)的可能性等。增材制造，帶來(lái)了無(wú)可比擬的新的制造機(jī)會(huì)，有效幫助了西馬克集團(tuán)諸多客戶顯著提升了設(shè)備性能。