“與3D打印相比，鑄造業(yè)算得上是一個(gè)“古老”的行業(yè)，然而，當(dāng)3D打印與仿真軟件結(jié)合，卻將這一行業(yè)帶來了新生。本期，我們通過分享鑄造行業(yè)車輪鋁合金輪架的建模與3D打印案例，來共同領(lǐng)略軟件與3D打印是如何將創(chuàng)新靈感注入鑄造業(yè)…”
Altair的solidThinking Inspire, Click2Cast與HBM nCode、Voxeljet合作，為模具生產(chǎn)帶來了極其可觀的性能提升，并為小批量生產(chǎn)甚至是規(guī)模化生產(chǎn)打開了潛力之門。通過將設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化、疲勞分析、鑄造仿真和3D打印技術(shù)結(jié)合來滿足輕量化設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，使得提高效率與性能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)成為可能。
為了充分挖掘3D打印技術(shù)的潛能，本案例通過一個(gè)鋁合金組件（輪架）造型的重構(gòu)過程，解析仿真優(yōu)化技術(shù)在其中的重要作用。結(jié)果令人欣喜：新設(shè)計(jì)在質(zhì)量幾乎與原來相同的情況下，產(chǎn)品性能（剛度）大幅提升，并擁有可制造性和更好的耐久性。
要知道車輪的承載組件在外力作用下會(huì)有偏移和變形的現(xiàn)象，直接影響整個(gè)車輛懸掛系統(tǒng)的性能，因此剛度的提升異常關(guān)鍵。另外，在原來的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常常需要向制造工藝妥協(xié)，而現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員可以將性能作為首要考慮的目標(biāo)，即使設(shè)計(jì)結(jié)果非常復(fù)雜，也可以輕松使用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
Altair Inspire的拓?fù)鋵W(xué)優(yōu)化
Inspire基于Altair的OptiStruct優(yōu)化求解器，應(yīng)用于概念階段，以仿真驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)初始，設(shè)計(jì)人員可對(duì)模型施加最為嚴(yán)苛的工況，例如硬制動(dòng)、最大轉(zhuǎn)彎、駕車顛簸等。運(yùn)行優(yōu)化過程中，還可以考慮制造約束的影響。運(yùn)行優(yōu)化后，將結(jié)果與原始設(shè)計(jì)相比，重量幾乎一樣，但其性能卻有顯著提升：在同樣的載荷工況下，剛度提升了3-5倍。
nCode Designlife的疲勞分析
不僅僅是最大負(fù)載，零件的整個(gè)運(yùn)行周期的抗疲勞破壞也是零件性能的關(guān)鍵考量因素。通過nCode Designlife耐久性和認(rèn)證分析的疲勞壽命預(yù)測(cè)，模擬了5種不同的路況的35個(gè)小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，包括通過Altair的OptiStruct計(jì)算的零件不同位置所承受的壓力數(shù)據(jù)以及材料數(shù)據(jù)庫的材料性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起用來預(yù)測(cè)抗疲勞強(qiáng)度。
Click2Cast的鑄造仿真
Click2Cast為Altair的鑄造工藝仿真軟件，這個(gè)軟件在設(shè)計(jì)的開始和最后都需要使用，通過軟件來增強(qiáng)和優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)，以避免典型的鑄造缺陷，如空氣滯留、孔隙度等。在設(shè)計(jì)的最后，通過Click2Cast來仿真整個(gè)模具注入過程以及凝固過程，幫助實(shí)現(xiàn)最高效的制造方法和減少能源、時(shí)間和材料的浪費(fèi)。
Voxeljet的3D打印過程
經(jīng)過優(yōu)化、疲勞分析和鑄造仿真過程，最后模型發(fā)送到Voxeljet的設(shè)備終端，通過CAD數(shù)據(jù)，Voxeljet將PMMA材料的塑料模型打印出來。這種有機(jī)材料模具的燃燒灰燼很少，并且變形量幾乎為零，這很適合熔模鑄造法，并帶來了優(yōu)異的尺寸公差精度和高質(zhì)量的表面精度，而且通過3D打印過程制造的模具避免了前期昂貴的開模的需求。當(dāng)然，3D科學(xué)谷需要提醒的是，Voxeljet的設(shè)備可以打印PMMA材料也可以打印用于金屬鑄造的砂型模具，熔模鑄造是其中的一種途徑。
通過以上案例可以看出，優(yōu)化及仿真技術(shù)能夠更好的實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，并極大地激發(fā)3D打印技術(shù)的潛力。
