巴斯夫FDM 金屬3D打印柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零件，有望助力利勃海爾實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)

南極熊導(dǎo)讀：FDM 金屬3D打印不銹鋼成功應(yīng)用于重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)托架零件，滿足高性能要求，而且成本相對(duì)較低，有望批量化生產(chǎn)制造。

當(dāng)企業(yè)希望通過(guò)增材制造技術(shù)改變傳統(tǒng)制造方法時(shí)，選擇經(jīng)驗(yàn)豐富且值得信賴的3D打印專家合作伙伴是成功的關(guān)鍵。Forward AM 借助其專業(yè)增材制造咨詢服務(wù)以及虛擬工程領(lǐng)域深厚的專業(yè)知識(shí)，為世界領(lǐng)先的工程機(jī)械生產(chǎn)商利勃海爾零部件部門提供金屬線材與增材制造咨詢服務(wù)，幫助利勃海爾建立“增材制造思維”，通過(guò)3D打印出首個(gè)零部件原型并有望實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

目前，利勃海爾零部件部門開(kāi)始進(jìn)一步轉(zhuǎn)型，并計(jì)劃推動(dòng)利勃海爾集團(tuán)其它生產(chǎn)部門采用增材制造技術(shù)。繼Forward AM Ultrafuse®316L 金屬3D打印線材之后，利勃海爾零部件部門計(jì)劃將 Forward AM 的先進(jìn)聚合物粉末、工程級(jí)塑料線材及多用途樹(shù)脂等全系列材料整合到該部門的全球生產(chǎn)中。

那么，是什么原因促使利勃海爾選擇巴斯夫Forward AM？讓我們來(lái)看看兩家公司是如何建立起合作關(guān)系的。

△利勃海爾零部件部門與 Forward AM 合作項(xiàng)目時(shí)間軸與大事記（圖片來(lái)源：利勃海爾零部件部門）

挑戰(zhàn)：建立增材制造思維
位于法國(guó)的利勃海爾 SAS 工廠致力于開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、裝配和測(cè)試用于重型機(jī)械的大型柴油機(jī)。如下圖所示，看起來(lái)并不起眼的零部件恰恰是利勃海爾零部件部門向 3D打印成功轉(zhuǎn)型的成果：用于固定驅(qū)動(dòng)該公司重型機(jī)械和發(fā)電設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)的托架。

△打印的托架（紅色部分）對(duì)護(hù)柵（黃色部分）起到支撐作用（圖片來(lái)源：利勃海爾零部件部門）

解決方案：從虛擬工程到最終成型不銹鋼部件
利勃海爾零部件部門對(duì)增材制造頗感興趣，因此向 Forward AM 進(jìn)一步了解了增材制造技術(shù)（尤其是成本效益極高的金屬熔絲制造成型技術(shù)）在金屬零部件生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

憑借其頂尖虛擬工程服務(wù)，F(xiàn)orward AM 可為客戶找到使用增材制造技術(shù)為其行業(yè)及企業(yè)所能帶來(lái)的好處，這種虛擬分析能具體到單個(gè)零部件的優(yōu)化。Forward AM 的虛擬工程師全面共享相關(guān)知識(shí)并提供同步咨詢服務(wù)，協(xié)助利勃海爾零部件部門引入 3D 打印技術(shù)。在確定嘗試生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)托架原型后，利勃海爾零部件部門和 Forward AM 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)托架進(jìn)行數(shù)字化仿真優(yōu)化，并在隨后的概念驗(yàn)證階段生產(chǎn)出實(shí)體零部件。

△由 Ultrafuse® 316L 不銹鋼線材打印而成的發(fā)動(dòng)機(jī)托架（圖片來(lái)源：利勃海爾零部件部門）

在準(zhǔn)備大規(guī)模向增材制造工藝轉(zhuǎn)換前，企業(yè)必須確信該技術(shù)最終生產(chǎn)出的零部件均符合其工程要求和規(guī)范，達(dá)到精準(zhǔn)、可靠、穩(wěn)定以及安全的標(biāo)準(zhǔn)。為了使利勃海爾確信這一點(diǎn)，F(xiàn)orward AM 虛擬工程師通過(guò)數(shù)字仿真，精確預(yù)測(cè)新材料的表現(xiàn)，并展示了最終成型的托架安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)后將會(huì)具備的性能表現(xiàn)。
由巴斯夫開(kāi)發(fā)的軟件集合Ultrasim® 是 Forward AM 進(jìn)行大量仿真和虛擬工程時(shí)用到的關(guān)鍵工具。利用 Ultrasim®，仿真專家可十分精確地結(jié)合材料的復(fù)雜屬性及行為。

在材料選擇上，F(xiàn)orward AM 首選Ultrafuse® 316L 先進(jìn)金屬線材，該材料是制造夾具、固定裝置、備件和功能性原型的理想材料，滿足利勃海爾零部件的性能需求。

明確最終零部件需滿足的要求后，F(xiàn)orward AM虛擬工程師開(kāi)始設(shè)計(jì)從概念到最終成品的完整開(kāi)發(fā)過(guò)程。由于這個(gè)零部件是采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式設(shè)計(jì)和制造，所以我們的第一步是通過(guò)數(shù)字化拓?fù)鋬?yōu)化，充分利用增材制造優(yōu)勢(shì)，確定最佳零部件結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程只有依賴虛擬工程和采用自由度大幅度提升的3D打印設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

△第一步：拓?fù)鋬?yōu)化—黃色箭頭表示作用于零部件的機(jī)械應(yīng)力（圖片來(lái)源：Forward AM）。

工程師通過(guò)虛擬方式，基于實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力來(lái)確定最佳零部件結(jié)構(gòu)。數(shù)字模擬技術(shù)可揭示零部件需要保留的部分，如螺釘切口等，以及沒(méi)有顯著的機(jī)械或熱力應(yīng)用而可去掉材料的部分。

拓?fù)鋬?yōu)化最終得出全新的零部件結(jié)構(gòu)，極大減輕了重量。然后，F(xiàn)orward AM虛擬工程師采用了只有3D 打印才能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方式：將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為零部件的填充部分，從而再次大幅減輕零部件結(jié)構(gòu)的重量而絲毫不會(huì)降低其功能性和穩(wěn)定性。

△經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化的金屬 3D 打印設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源：Forward AM）。

由于只在必要處使用材料且整合了點(diǎn)陣填充結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)后的托架總重量從 343 克減少至 167 克，減輕了超過(guò) 50% 的重量。理論上，重量減輕意味著單個(gè)零部件生產(chǎn)成本下降，使用的材料更少，從而縮短了生產(chǎn)過(guò)程中的打印時(shí)間。

在結(jié)構(gòu)模擬的過(guò)程中，F(xiàn)orward AM對(duì)剛打印出來(lái)的零部件進(jìn)行仿真模擬, 隨后模擬脫脂燒結(jié)，得到最終零部件。同時(shí)，通過(guò)虛擬3D打印的發(fā)動(dòng)機(jī)托架的安裝與運(yùn)行，可將其與原有托架的耐機(jī)械應(yīng)力和耐溫度應(yīng)力表現(xiàn)進(jìn)行比較，從而確保點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在真實(shí)的惡劣條件下能達(dá)到預(yù)期性能。

△應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿真確保零部件能承受住最終應(yīng)用時(shí)的工作負(fù)荷（圖片來(lái)源：Forward AM）

虛擬裝配還能確保零部件符合最終用途要求的尺寸。此外，工程師還進(jìn)行了頻率分析，評(píng)估四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)托架組合到一起能否承受住整個(gè)結(jié)構(gòu)極高的工作負(fù)荷或是否能達(dá)到本征頻率。結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)本征模表現(xiàn)出的行為與原有的零部件幾乎沒(méi)有差別。Forward AM 虛擬工程師進(jìn)一步加入了關(guān)鍵的安全性優(yōu)勢(shì)，確保打印出的零部件不僅能承受額定工作負(fù)荷，還能安全地承受住額定工作負(fù)荷 3 倍的應(yīng)力。

△發(fā)動(dòng)機(jī)托架的虛擬裝配（圖片來(lái)源：Forward AM）

成功打印零部件后，對(duì)零部件進(jìn)行全面的 3D 掃描，將該零部件的尺寸與之前生成的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。分析尺寸一致性，比較零部件的表面并檢查具體尺寸后，即可證實(shí)利勃海爾零部件部門最終生產(chǎn)出的零部件具有高精度、高性能特點(diǎn)。

△對(duì)打印的零部件進(jìn)行精密掃描，確保其精度（圖片來(lái)源：Forward AM）。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，利勃海爾零部件部門最終同意使用3D打印制造托架并應(yīng)用于目標(biāo)用途。利勃海爾零部件部門對(duì)托架進(jìn)行了詳盡的測(cè)試，確保虛擬分析出的零部件性能在實(shí)際生產(chǎn)后符合其嚴(yán)格的質(zhì)量與功能性標(biāo)準(zhǔn)。為使實(shí)際裝配過(guò)程更加高效，利勃海爾零部件部門要求在新托架上額外加上兩道螺栓螺紋。有了“增材制造思維”和增材制造生產(chǎn)方式，這項(xiàng)要求不需要增加任何額外的生產(chǎn)步驟就能實(shí)現(xiàn)！

增材制造技術(shù)的使用給利勃海爾零部件部門帶來(lái)諸多好處：托架的生產(chǎn)成本、時(shí)間成本及生產(chǎn)出的托架重量均極大減少，同時(shí)保證了托架承載能力的一致性。
在對(duì)增材制造技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)有了深入了解后，利勃海爾零部件部門現(xiàn)已使用 3D打印機(jī)在內(nèi)部進(jìn)行打印，并計(jì)劃在該公司全球各個(gè)生產(chǎn)部門推廣增材制造。

“通過(guò)使用 Forward AM 的 Ultrafuse® 316L 金屬線材打印零部件原型，我們實(shí)現(xiàn)了主營(yíng)產(chǎn)品（發(fā)動(dòng)機(jī)）3D 打印的目標(biāo)。”

——利勃海爾零部件部門先進(jìn)技術(shù)專家Hugues Winkelmuller