數(shù)字化流程使用DFM將3D打印與傳統(tǒng)機(jī)加工相結(jié)合，助力汽車部件的快速制造

2022年11月23日，南極熊獲悉，西門子與機(jī)床制造商DMG MORI USA、工具制造商Walter和TRAK Machine Tools合作，展示了數(shù)字化在設(shè)計(jì)和工程工作流程中的強(qiáng)大功能。

△西門子eRod 概念電動(dòng)車。（圖片來源：西門子）

這項(xiàng)合作基于西門子Xcelerator業(yè)務(wù)平臺，顯示了優(yōu)化作為制造業(yè)設(shè)計(jì)和工程的基本組成部分的潛力，在為西門子eRod電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)和制造轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)，結(jié)合新技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)，減少浪費(fèi)，最大限度地利用資源。

△NXCAM G-Code驅(qū)動(dòng)的3D打印轉(zhuǎn)向節(jié)的模擬（圖片來源：西門子）

這次合作中展示的數(shù)字化流程集成了所有四家公司的技術(shù)，首先是西門子NX生成初始設(shè)計(jì)。在這個(gè)案例中，合作伙伴利用設(shè)計(jì)空間探索等集成生成工程工具，將電動(dòng)汽車的操作參數(shù)用于優(yōu)化零件設(shè)計(jì)。

△安裝在eRod上的拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)組件的模擬（圖片來源：西門子）

在增材制造設(shè)計(jì)階段，使用結(jié)構(gòu)仿真和優(yōu)化對零件進(jìn)行驗(yàn)證，以確保滿足性能要求，并針對可用于生產(chǎn)的制造工藝對零件進(jìn)行優(yōu)化。在這個(gè)項(xiàng)目中，仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)確保用最少的材料創(chuàng)建零件，從而使轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)減輕了45%的重量，并提高了零件對該部件通常經(jīng)歷的應(yīng)力的彈性。

在工藝規(guī)劃這個(gè)階段，合作伙伴采用Teamcenter和Opcenter軟件制定了全面的制造計(jì)劃。這有助于制造商通過應(yīng)用他們自己的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控編程、檢測路徑方法、工具和程序模板實(shí)現(xiàn)編程自動(dòng)化。它還能確保在車間里對正確的修訂進(jìn)行編程和測量，為整個(gè)數(shù)字制造過程創(chuàng)造一個(gè)單一的數(shù)據(jù)源。

△在DMGMORI LASERTEC 30 DUAL SLM上3D打印轉(zhuǎn)向節(jié)（圖片來源：西門子）

在制造階段，使用增材制造和傳統(tǒng)制造方法相結(jié)合的方式制造零件，然后進(jìn)行加工，以達(dá)到尺寸精度和公差。西門子表示，在這一階段使用軟件自動(dòng)完成常規(guī)任務(wù)，使編程時(shí)間減少了60%。該零件在NX CAM中使用五軸同步編程、基于云的后處理和集成模擬，為增材制造和傳統(tǒng)的減材制造進(jìn)行了準(zhǔn)備和編程。然后在DMG MORI LASERTEC 30 DUAL選擇性激光熔化（SLM）機(jī)上使用Ti6Al4V鈦粉進(jìn)行生產(chǎn)。最終的公差和表面處理是由DMG MORI的DMU 85 monoBLOCK五軸加工中心完成的，該中心配備了SINUMERIK840D sl數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行兩步加工。該機(jī)床還配備了Walter設(shè)計(jì)的工具，用于精加工和切割操作。

△在DMGMORI monoBLOCK 85上加工3D打印的轉(zhuǎn)向節(jié)（圖片來源：西門子）

鈦合金的增材制造過程，除了在加工時(shí)常會遇到的挑戰(zhàn)外，還有許多其他的挑戰(zhàn)。雖然增材制造擅長制造復(fù)雜的部件，但這些部件的加工很少是簡單的。3D打印所需的支撐結(jié)構(gòu)往往比散裝材料更脆，而且3D打印的結(jié)構(gòu)往往具有標(biāo)準(zhǔn)工具難以達(dá)到的特征。這些復(fù)雜的零件幾何形狀在加工過程中往往難以夾緊，這意味著最大限度地減少振動(dòng)對于降低損壞零件的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，Walter開發(fā)了一種使用組合工具的工藝，以提供符合所有尺寸精度和表面光潔度要求的成品零件。在評估整個(gè)組件時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，某些組件仍然可以使用傳統(tǒng)工藝更有效地制造。具體來說，主軸適合于數(shù)控車削。為了實(shí)現(xiàn)這一改變，工程師們使用了Run MyVirtual Mach（數(shù)字孿生系統(tǒng)）將 TRAK MachineTools TC820si 車削中心添加到數(shù)字制造過程中。主軸在SINUMERIK ONE控制器中通過ShopTurn對話式編程進(jìn)行虛擬編程，然后用TC820si的3D雙機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

△輪節(jié)主軸非常適合傳統(tǒng)的車削操作（圖片來源：西門子）

為了閉環(huán)，質(zhì)量控制和生產(chǎn)準(zhǔn)備是通過使用NX CMM檢測編程軟件內(nèi)的PMI（產(chǎn)品制造信息）采集和存儲的尺寸和公差數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)CMM流程進(jìn)行的，以確保零件在預(yù)期的公差范圍內(nèi)，并準(zhǔn)備好進(jìn)行裝配。在最后的裝配過程中，更傳統(tǒng)的主軸部件與新優(yōu)化的關(guān)節(jié)相連接，并安裝在西門子eRod上。