創(chuàng)成式設(shè)計+3D打印+鑄造，成就輕量化零件

當前在3D打印領(lǐng)域，提到最多的可能是拓撲優(yōu)化，而不是創(chuàng)成式設(shè)計。雖然很多場合二者都是混為一談的，但細究起來創(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)整來找到一個（優(yōu)化）模型。拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）是對給定的模型進行分析，常見的是根據(jù)邊界條件進行有限元分析，然后對模型變形或刪減來進行優(yōu)化。

圖片：創(chuàng)成式帶來多種設(shè)計優(yōu)化結(jié)果，來源：歐特克

創(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design）是一個人機交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設(shè)計意圖，通過”創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設(shè)計方案推送給設(shè)計者進行最后的決策。

圖片：創(chuàng)成式設(shè)計的自行車部件，來源：歐特克

通俗理解創(chuàng)成式設(shè)計是一種通過設(shè)計軟件中的算法自動生成藝術(shù)品、建筑模型、產(chǎn)品模型的設(shè)計方法。創(chuàng)成式設(shè)計是一種參數(shù)化建模方式，在設(shè)計的過程中，當設(shè)計師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動進行調(diào)整判斷，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計。目前比較著名的創(chuàng)成式設(shè)計軟件包括歐特克的Within，歐特克的Dreamcatcher，西門子的Solid Edge ST10等。

圖片：創(chuàng)成式設(shè)計的自行車部件，來源：歐特克

創(chuàng)成式設(shè)計將激發(fā)設(shè)計師通過手動建模不易獲得的思想靈感，創(chuàng)造出擁有不尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計作品。3D打印技術(shù)由于可以將復(fù)雜的設(shè)計轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，注定已成為創(chuàng)成式設(shè)計的“好伙伴”。

圖片：歐特克創(chuàng)成式設(shè)計實現(xiàn)輕量化結(jié)果

那么創(chuàng)成式設(shè)計的零件為什么不同過我們所熟悉的粉末床激光熔融方式來加工呢？通過視頻，我們可以了解到，通過選擇性激光熔融加工方式的成本大概是3D打印精密模具+鑄造總成本的3倍。

此外，視頻中通過voxeljet-維捷的3D打印精密模具的方式，選用的是PMMA亞克力材料來制作精密模具，亞克力不僅經(jīng)濟性高，而且材料的負收縮率解決了精密鑄造容易出現(xiàn)的漲殼現(xiàn)象，使得尤其適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密鑄造。

圖片：去除模具，來源：歐特克

通過創(chuàng)成式設(shè)計輕量化的飛機座椅結(jié)構(gòu)件，歐特克位于 San Francisco的9號碼頭創(chuàng)新工廠嘗試通過3D打印熔模來鑄造鎂合金，從而實現(xiàn)飛機座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標準的商用噴氣式飛機，預(yù)計可以通過減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬美元的成本。

另外胞元結(jié)構(gòu)是通過歐特克的netfabb軟件設(shè)計成的，歐特克的科學家發(fā)現(xiàn)，這種胞元結(jié)構(gòu)通過金屬打印的方式生產(chǎn)出來并不是當前最好的方法，他們結(jié)合了現(xiàn)代的3D打印PMMA精密鑄造模具的制造方法與傳統(tǒng)的鑄造方法。雖然，金屬3D打印在推動制造業(yè)跨越式發(fā)展，并能夠生產(chǎn)非常復(fù)雜的產(chǎn)品，但目前材料選項仍然有限。目前增材制造支持的材料只有幾十種，但鑄造可以在成千上萬種的金屬和復(fù)合材料中進行選擇。因此，該項目利用了3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，而不完全依賴于3D打印技術(shù)。

圖片：創(chuàng)成式設(shè)計的部件，來源：歐特克

利用3D打印和鑄造，使兩種方法相互補充來生產(chǎn)飛機座椅骨架。鑄造提供了更實惠的方式生產(chǎn)座椅框架，不僅僅是單件成本更低，從生產(chǎn)效率看適合生產(chǎn)更大的數(shù)量。歐特克的9號碼頭創(chuàng)新工廠，配備了一系列的3D打印技術(shù)和數(shù)控機床，但9號碼頭并不具備鑄造能力。為此，歐特克與Aristo Cast鑄造公司合作了這個項目。

Aristo Cast鑄造公司通過這個項目了解了更多關(guān)于先進的設(shè)計和優(yōu)化技術(shù)，這些對于傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)還是很新的。雙方經(jīng)過一系列的探討，最終決定用鎂合金來完成鑄造過程。當然，鎂合金的鑄造過程并不容易，采用不同的型殼體系，或者澆注前對型殼的焙燒工藝不同，鎂合金冷卻的過程也不相同，得到的鑄件組織也不同。并且還需要注意解決鎂合金在熔煉和澆注過程中的氧化和燃燒問題。
基于鎂合金零件的鑄造是一個復(fù)雜的過程，雙方將模型進行了謹慎的鑄造仿真。通過Netfabb軟件進行模型的修改，再通過鑄造仿真確認其性能。更新后的三維模型，在3D打印完成后，被送到Aristo Cast，在3D打印的塑料外層涂覆了陶瓷涂層，隨后塑料加熱蒸發(fā)，陶瓷殼變硬了，最后將鎂合金注入到型腔中，完成鑄造過程。最終，飛機座椅骨架減重了56%，減重來自于創(chuàng)成式設(shè)計，以及輕量化鎂合金材料。

最終，通過輕量化設(shè)計和3D打印已經(jīng)將飛機座椅骨架實現(xiàn)了減重，而鎂合金比鋁輕35%，通過材料的選擇，又進一步將座椅骨架減重。這對商業(yè)航空公司意味著什么？如果以100架A380飛機服役20年來計算，航空公司將節(jié)省2億多美元的燃料費用。這好比8萬輛汽車一年減少的126000噸的二氧化碳排放量。

當然正如視頻中所提到，并非是所有的胞元結(jié)構(gòu)都適合通過精密鑄造的方式來制造，在設(shè)計的過程中，必須要考慮到如何去除金屬胞元結(jié)構(gòu)間隙間的鑄造殘留物，有時候這些殘留物是無法去除的。此外，當你鑄造完成的零部件還需要CNC機床加工的時候，在設(shè)計的過程中還需要考慮到機床加工過程的裝夾需求，將這些部位體現(xiàn)在設(shè)計中。

圖片：機加工中的輕量化零件，來源：歐特克

總之，實現(xiàn)輕量化，創(chuàng)成式設(shè)計與3D打印模具以及與鑄造的結(jié)合，是加工大型結(jié)構(gòu)件值得思考和采用的方案。


來源：3D科學谷