農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商Amazone希望使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備變得更加穩(wěn)定、耐用,并實現(xiàn)輕量化。在進(jìn)行新一代產(chǎn)品的研發(fā)和探索時,Amazone 采用了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和3DP 3D打印技術(shù)制造的砂模、砂芯來制造某款農(nóng)業(yè)機(jī)械的大型機(jī)架鑄件。接下來,我們一起通過Amazone 的農(nóng)機(jī)機(jī)架鑄件制造案例來了解一下3DP 3D打印技術(shù)在大型輕量化鑄件快速制造中體現(xiàn)出的價值。
農(nóng)機(jī)機(jī)架的設(shè)計優(yōu)化過程(右圖為拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化設(shè)計方案)
Amazone 是來自Hasbergen的家族企業(yè),位于德國 Osnabrück附近。該公司生產(chǎn)的其中一類產(chǎn)品是農(nóng)業(yè)機(jī)械上帶機(jī)架的緊湊型圓盤耙,這是一種固定在拖拉機(jī)上的裝置,用于淺層和強(qiáng)化土壤種植,工作深度可達(dá)15厘米。機(jī)架的作用是將設(shè)備連接到軸上,使圓盤耙設(shè)備能夠被拖動。
Amazone使用的上一代農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)架由幾個部分焊接而成,重量為245千克,焊縫長度為16.5米,其制造過程繁瑣。為了降低成本,使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備更加穩(wěn)定和輕巧,Amazone決定使用輕量化的鑄件來替代上一代機(jī)架。
Amazone在設(shè)計新一代農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)架時,使用了Altair的拓?fù)鋬?yōu)化軟件Inspire,設(shè)計出符合力學(xué)性能要求,并適合鑄造的機(jī)架。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)使材料分布在零件合理的部位,使機(jī)架的鑄件相比上一代底盤重量減輕了45千克。在開始進(jìn)行鑄件制造之前,金屬的鑄造過程還經(jīng)過了Inspire軟件的仿真模擬,這一過程能夠降低實際鑄造中產(chǎn)生氣孔等缺陷的風(fēng)險,保證鑄件質(zhì)量。
Amazone公司表示,新一代機(jī)架的設(shè)計方案使機(jī)架的使用壽命提高2.5倍,相比上一代機(jī)架重量降低18%。3DP 3D打印技術(shù)則在實現(xiàn)這種復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)和鑄件的快速制造方面發(fā)揮了重要作用。
4個3D打印砂模被組裝在一起
實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)
Amazone 公司使用了voxeljet 公司3DP 3D打印設(shè)備VX4000 制造機(jī)架鑄造用的砂模。在打印之初,voxeljet將CAD文件轉(zhuǎn)換為適合3D打印的格式,隨后操作人員將數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)中。該機(jī)架的鑄造砂模將被分為4個部分進(jìn)行打印。砂模打印完成之后,進(jìn)行清潔后處理和檢測。
打印開始,刮板鋪設(shè)粉床(石英砂),打印頭以300dpi的分辨率進(jìn)行工作并按照數(shù)模幾何結(jié)構(gòu)有選擇性的噴射粘結(jié)劑。每打印一層,成型平臺下降一個層厚,直到零件打印完成。 voxeljet的VX4000打印機(jī)的成型尺寸可達(dá)4 x 2 x 1米。打印完成之后,操作人員從設(shè)備中取出砂模,并進(jìn)行后處理和組裝,處理完成的3D打印砂模可以直接用于機(jī)架的鑄造。
鑄造過程:在砂模內(nèi)部,液態(tài)金屬最終固化
鑄造廠為鑄造模具進(jìn)行涂層,從而保護(hù)砂模不受到熱應(yīng)力的影響。
鑄造廠的工作人員將鑄件從模具中取出,并經(jīng)過后續(xù)機(jī)械加工后,機(jī)架鑄件制造完成。
節(jié)省時間和成本
準(zhǔn)備交付的機(jī)架鑄件
通常為這樣一個復(fù)雜的鑄件制造鑄造用的砂模是非常耗時、繁瑣的過程,因此在進(jìn)行鑄件設(shè)計時, 設(shè)計師就考慮使用voxeljet 的VX4000 3D打印設(shè)備直接進(jìn)行鑄件砂模的快速制造。這一制造工藝為鑄件制造節(jié)省了時間。
此外,由于3D打印技術(shù)對于打印對象結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不敏感,在制造復(fù)雜砂模時,不會因為產(chǎn)品的復(fù)雜性的上升而使成本顯著上升。對于用傳統(tǒng)制造方式制造難度非常高的幾何結(jié)構(gòu),3D打印設(shè)備甚至可以降低制造成本。