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零件設計優(yōu)化的同時,如何合理控制3D打印成本

獨愛72H ? 來源:中關村在線 ? 作者:中關村在線 ? 2020-05-26 17:31 ? 次閱讀
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(文章來源:中關村在線)

粉末床選區(qū)激光熔化(SLM)3D打印技術為構(gòu)建具有自由形狀和復雜特征的零件提供了極大的自由度,但面對這種與傳統(tǒng)技術截然不同的增材制造方式,如何既滿足用戶對零件設計優(yōu)化與機械性能的要求,又能夠合理控制增材制造成本,是開展面向增材制造的設計時所需要考慮的因素,也是一個需要在應用實踐中探索與積累的過程。

3D科學谷將分享一個3D打印除塵通道零件的設計案例,設計團隊通過仿真驅(qū)動設計、打印參數(shù)優(yōu)化等方式實現(xiàn)了零件優(yōu)化設計的既定目標,并合理控制了增材制造成本。

工程服務企業(yè)埃特博朗( Etteplan )為客戶重新設計了一種除塵通道零件,該零件的原始零件是用傳統(tǒng)方式制造的,存在的問題是成本高,并且因體積偏大而給設備裝配帶來困難。因此,客戶希望對現(xiàn)有的除塵通道進行設計優(yōu)化。經(jīng)過評估,埃特博朗采用金屬3D打印技術對此部件進行再制造,增材制造工藝釋放了除塵通道的設計空間,優(yōu)化后的部件比原始方案重量輕、成本低,并且氣流特性得到改善。

埃特博朗為除塵通道項目組建了團隊,成員包括增材制造設計、增材制造生產(chǎn)和打印過程仿真方面的專家。在整個設計過程中,使用了增材制造生產(chǎn)成本估算工具和增材制造過程仿真軟件。

除塵通道零件的第一代增材制造設計去除了多余的材料,并獲得平滑的內(nèi)部空氣通道。在這一點上,設計團隊使用了過程仿真軟件進行除塵通道零件擺放方向優(yōu)化,從而分析出擺放方向?qū)?gòu)建時間、支撐量以及所需的后處理工作量和預測的變形/變形水平的影響。

設計團隊確定了兩種比較優(yōu)選的擺放方式。雖然按照這些擺放方式,單獨計算一個組件的打印時間長,但能夠充分利用打印構(gòu)建板的空間,這意味著能夠在打印構(gòu)建板中擺放的組件數(shù)量達到最多,即能夠在一次打印中同時制造的組件數(shù)量最多,從而使得每個組件的打印時間少于其他擺放方案。

接下來,設計團隊對第一代增材制造設計方案進行了修改,從而提高在首選方向上的可打印性,并減少對支撐結(jié)構(gòu)的需求。為了確定在哪里需要使用支撐結(jié)構(gòu),設計團隊對選定擺放方向的組件進行了打印過程仿真,這將確保打印過程中不會發(fā)生因變形引起的零件與刮刀的碰撞,并確保最終變形水平在合理范圍。

在此階段,設計團隊還使用了增材制造成本估算工具,估算和比較各種設計方案與原始傳統(tǒng)制造零件的成本。估算結(jié)果表明,僅制造單個3D打印零件所需的材料和時間成本昂貴,但是如果一次打印同時制造11個零件,則3D打印成本與傳統(tǒng)制造成本基本持平。

設計團隊對除塵通道零件做了進一步的設計優(yōu)化,將4層零件堆疊擺放在同一個打印構(gòu)建板中,使用這種方式能夠在一次打印中制造出120個零件。打印過程仿真再次被用于估算零件所需的支撐結(jié)構(gòu),以及對打印過程進行了仿真模擬。優(yōu)化除塵通道設計,最大化單次打印中可打印的零件數(shù)量等設計優(yōu)化工作,使得單件3D打印除塵通道零件的成本比傳統(tǒng)零件制造成本低 40%。同時,由于通過增材制造技術建立了更為靈活的供應鏈,客戶能夠?qū)崿F(xiàn)除塵通道的小批量按需生產(chǎn)。

以上部分展示了面向增材制造的零件設計迭代過程,設計團隊最終找到了實現(xiàn)更低制造成本的設計方案。但是實現(xiàn)更低的制造成本、更靈活的供應鏈,僅是除塵管道零件3D打印應用的部分價值,根據(jù)3D科學谷的了解,3D打印及面向增材制造的設計還帶來了附加價值,包括:重量減輕50%以上;顯著提升的氣流特性;比原始零件更易于組裝的連接設計。

由于除塵通道不是屬于關鍵的承重結(jié)構(gòu),因此最終產(chǎn)品并不要求達到具有完全致密材料的最佳機械性能。設計團隊對3D打印工藝參數(shù)做了一定優(yōu)化,零件的機械性能只要足夠滿足應用需求即可,這樣使得打印時間得以縮短。

設計團隊與粉末床金屬3D打印設備制造商SLM Solutions 公司合作優(yōu)化了工藝參數(shù),提高部分不可見區(qū)域的打印速度,同時在其余部分使用標準的高質(zhì)量工藝參數(shù)。此外,對支撐結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,最大程度地減少材料的使用,并且使得打印后的粉末清除更加容易。這些優(yōu)化使得打印時間減少了25%。
(責任編輯:fqj)

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