農(nóng)業(yè)機械制造商Amazone希望使農(nóng)業(yè)機械設(shè)備變得更加穩(wěn)定、耐用，并實現(xiàn)輕量化。在進行新一代產(chǎn)品的研發(fā)和探索時，Amazone 采用了拓撲優(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)機械的大型機架鑄件。接下來，我們一起通過Amazone 的農(nóng)機機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)機機架的設(shè)計優(yōu)化過程（右圖為拓撲優(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)機械上帶機架的緊湊型圓盤耙，這是一種固定在拖拉機上的裝置，用于淺層和強化土壤種植，工作深度可達15厘米。機架的作用是將設(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)機械機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架。

Amazone在設(shè)計新一代農(nóng)業(yè)機械機架時，使用了Altair的拓撲優(yōu)化軟件Inspire，設(shè)計出符合力學(xué)性能要求，并適合鑄造的機架。拓撲優(yōu)化技術(shù)使材料分布在零件合理的部位，使機架的鑄件相比上一代底盤重量減輕了45千克。在開始進行鑄件制造之前，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)生氣孔等缺陷的風險，保證鑄件質(zhì)量。

Amazone公司表示，新一代機架的設(shè)計方案使機架的使用壽命提高2.5倍，相比上一代機架重量降低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。該機架的鑄造砂模將被分為4個部分進行打印。砂模打印完成之后，進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打印機的成型尺寸可達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，并進行后處理和組裝，處理完成的3D打印砂?？梢灾苯佑糜跈C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行涂層，從而保護砂模不受到熱應(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)機械加工后，機架鑄件制造完成。

節(jié)省時間和成本

準備交付的機架鑄件

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。