增材制造—為金屬工業設計零部件以功能為導向創造了機會

文／馬麗華·西馬克集團

作為一種全新的制造工藝，3D 打印業已對傳統制造（減材）工藝形成了實實在在的替代。西馬克集團已經成功地利用增材制造來生產某些零部件并應用于煉鋼和鍛造行業，盡管這些工藝過程往往以環境條件嚴苛、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計原理、該技術的諸多優勢及其在西馬克集團內部應用的實例。

以實現功能為目標而無需考慮如何制造的設計理念

要充分發揮3D 打印技術的潛力，非常關鍵的一點是徹底拋棄傳統的從如何制造出發的設計思路，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。零部件的設計需要推倒重來，這是一種嶄新的模式?，F在，利用增材制造，零部件的外形設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，其形狀可隨之調整。與傳統制造方式不同，增材制造不需要考慮加工車間現有加工工具的限制，因為完全用不到加工工具。舉例來說，液壓閥塊的內部通道就可以做成一種更符合流量優化的形狀。傳統制造加工出的內部通道截面一般是長方形，會造成顯著地流速損失，由此還會導致通道內部污垢沉積；用3D 打印可以將流體通道設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，從而消除了通道內的紊流，同時也降低了能耗。液壓閥塊內流量優化的外形變化還可能對外圍設備的尺寸帶來影響，比如液壓泵站就可以更小。

設計實例：潤滑分配器

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

傳統設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，所以分配器的內孔可以安排的相當緊湊。當然，設計必須滿足零部件應用工藝的特性，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，將零部件設計成直立的長條狀是最優化的打印平臺方案，也有助于提高生產效率，所以必須在這兩者之間找到最優的折中點。

潤滑分配器（圖2）設計成直立的長條狀必然導致加工時間較長，但兩個很關鍵的原因決定了這一設計：一是介質通道要求12mm 的內徑，如果做成扁平狀，就需要對通道內壁增加額外支撐；二是零部件的附加支撐越多，后續的加工就越復雜，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計幾乎沒有支撐結構，因此零件是自支撐的。

應用實例：擠壓機上用的軸承座

軸承座是擠壓機喂料系統的一個零部件，其功能是為液壓缸拉桿提供支撐和導向，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，客戶就無法繼續生產。

過去該零部件采用鑄造工藝，制備模具、鑄造、后期加工，導致供貨周期很長?，F在，使用激光粉床熔融技術，西馬克集團可以在幾天內向客戶交付備件；同時，也不需要在德國制造，因為可以在全球任何地方生產。未來，只需將零件的CAD 數據文件發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對其進行改變和調整是不行的，因此有必要對這種軸承座進行重新設計。為了實現增材制造的各種優勢，需要分析零件當前的負荷，并進行拓撲結構優化（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計的，比如零件的安裝固定點不變，需要承托導向的液壓桿直徑不變等。

對經拓撲結構優化后的外形進行重新設計后，要進行進一步的有限元分析。結果證明，新設計具有更高的強度，與傳統設計相比，安全系數也提高了。另外由于節省了材料，軸承座的重量也減輕了；因為可以按需生產備件，備件的庫存成本也可以省掉。傳統方式與增材制造生產的軸承座對比見圖4。

應用實例：SIS 射流器

噴射系統的射流器(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結合在一起，用于熔煉廢鋼。爐內形成的巨大、穩定的火焰可以熔化爐子冷區的廢料。該零件的功能是在各預定義階段傳送、加速和混合介質。

SIS 射流器的傳統設計基于焊接組件，由八個獨立的部件構成，重量約18kg。其形態碩大，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量、減小體積，對其進行了新的設計（圖5）。增材制造設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特性，采用了銅合金材質，如圖6 所示；此外，還對所采用的拉瓦爾噴嘴的優化形狀進行了計算。

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，所以構建過程中部件內部沒有任何支撐結構。

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，并設定穩定的引燃操作。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。

提供增材制造設計服務

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

總結

作為重型機械設備制造行業的一員，西馬克集團已經實施了一大批基于數字化3D 設計數據的機械零部件的創新解決方案，充分展示了增材制造工藝所帶來的巨大優勢。其中最重要的優勢包括，動態運動部件的重量顯著減輕，優化流體動力模式并提高了能源效率，簡化了安裝和調試步驟，簡易的定制化設計，大大縮短交貨期，實現本地化生產的可能性等。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備性能。