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英国结构优化设计铝车轮支架铸件获得大奖

添加时间:2016/04/15

      普利茅斯的英国精密金属中心全新优化设计了一种铝车轮支架零件,获得了英国铸造协会(CFM)2015年铸造金属零件“年度奖”。这个零件吸引了评奖委员们的眼球,因为这开启了铸造技术新的未来。 
       该车轮支架零件由英国精密铸造中心(Precision Casting Centre)和英国专业3D打印企业Voxeljet企业合作合作开发和生产,该铸件以前是采用复杂的金属直接激光烧结技术生产(图1)。该零件是为使用功能而不是为方便制造而设计的,这显示了最先进的技术和铸造技术相结合可以获得前所未有的成果,从而给铸造业和客户都带来好处。 
       该车轮支架零件从以聚甲基丙烯酸甲酯(俗称有机玻璃)材料[polymethyl methacrylate(PMMA)] 3D打印的模型开始,这能确保没有分型线,没有拔模斜度或者无需组芯;然后如通常的精密铸造工艺一样,这个模样用来上耐火浆料制壳,去除模型(如同融出蜡模),然后浇铸L169铝合金。这个零件,用于汽车和航空业的车轮支架,需要经受相当大的直接载荷和疲劳载荷。 
       该项目以需要大幅度增加刚度但不增加重量或者不改变所用的材料开始。借助于最先进的模拟App,利用3D打印技术提供的全方位的设计自由,英国精密金属中心铸造厂生产了这件车轮支架,它和原先的铸件一样重,但是刚度是原先铸件的5倍。英国Voxeljet企业的销售总监凯文·史密斯(Kevin Smith)先生说明了其优点:“增材制造工艺带来的设计自由再结合模拟技术使大家找到了新一代的设计,克服了原先的设计局限性。”Voxeljet企业的3D打印技术使得可以生产几何形状如此复杂的铸件。“正因为如此,英国铸造协会(CMF)的评委起初很难相信这件复杂的车轮支架铸件是铝合金精密铸造件。” 凯文·史密斯先生说。“这个项目令人印象深刻,它证明了提高性能同时减轻重量的潜力。” 
       这个项目获奖的另一个原因是这个零件通过Voxeljet 3D打印技术与传统的精密铸造结合,并已经以非常经济的方式生产了。在评委们的眼里,这种制造工艺证明,通过全新的设计,这种制造工艺可以彻底改变常规的复杂铸件的设计和生产。 

                            图1  原始(左)和优化的车轮支架零件 
       车轮支架在负载下经受变形,这可能影响整个车底盘的驾驶稳定性,因此该零件的刚度极其重要。面临的挑战是要大幅度提高现有零件的刚度,同时又不能增加重量。制造零件所需的精密铸造壳型由Voxeljet通过3D打印制造。因为3D打印允许结构优化,设计无限制的自由,性能可以大大提高。车轮支架生产的各个步骤如下: 
1)优化形状结构。首先借助于概念设计和优化工具确定所构建的空间模型。最重要的负载情况在模型上模拟,包括强制动,急转弯和驶过障碍。经过优化并考虑可制造性后,工程师获得采用同样材料,全新设计零件,新设计的零件刚度是原来的3-5倍(取决于载荷情况);零件也可以模拟至同样的刚度但是重量更轻,如图2所示。 

                            图2  车轮支架优化形状结构设计步骤 
2)疲劳周期测试。疲劳失效是由零件的整个负载历史,不只是由最大载荷造成的。为此确定采用35 h的负载,并考虑5种不同的负载形式。车轮支架的全位置应力史,结合材料性能就可以预测疲劳失效。 
3)铸造模拟。铸造模拟共运行两次,即设计开始和设计结束。早期,这能使设计者测试和优化零件的可制造性设计。从而可以避免内部缺陷和分析关键区域,同时减少设计和开发部门之间的迭代次数。在设计的最后阶段,充型和凝固过程再次进行模拟。 
43D打印。优化好的车轮支架送到Voxeljet企业进行3D打印铸件模型。根据CAD数据,Voxeljet企业产生一个塑料模样用于精密铸造(图3)。该模型由3D打印机采用塑料聚甲基丙烯酸甲酯(俗称有机玻璃)[polymethyl methacrylate (PMMA)]特殊材料和粘结剂选择性地一层层打印而成。使用这种有机材料,其烧蚀后残留灰分非常低。模样不膨胀,显示了理想的燃尽特点。此外,打印的模样零件能像任何其他蜡模一样可以手拿搬运,即经济又省时间。3D打印技术可以生成任何其他传统制造方法无法形成的复杂几何形状。 

                            图3  3D打印车轮支架塑料模样 
       该铝车轮支架是由Altair企业、Click2Cast企业、HBM-nCode 企业和Voxeljet 企业合作优化设计的。由于Voxeljet 企业的3D打印技术和上述各种App模拟驱动的设计,工程师们将各种App都被用来进行模拟,并利用零件设计的全方位的优势,基于Altair 的OptiStruct optimization solver(一种结构优化App)产生的灵感,用来优化局部结构。零件的疲劳强度采用nCode DesignlifeApp模拟,Click2CastApp用来模拟铸造过程。 
       就在该零件在英国铸造协会获奖的同时,Voxeljet企业在启动了英国工业3D打印应用定向服务中心。该中心有很大产能,包括3台高速、大型打印系统,每一台可以打印1 000 mm×600 mm×500 mm 的体积,几天之内就可以生产出精密铸件铸型和模型。Voxeljet企业总经理,杰姆斯·里维斯(James Reeves)先生评论说:“就精密铸造来说,大家的3D打印系统是迄今为止最大和最快的,能使大家快速响应,缩短工艺时间,同时仍然保持成本效益高。”

 

 

 

来源:《铸造》201604期


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