生產(chǎn)(chǎn)工具是增材制造 (AM) 真正大放異彩的應(yīng)用之一。這個(gè)(gè)經(jīng)(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的夾持器就能很好地體現(xiàn)這一點(diǎn)(diǎn)。該夾持器在批量生產(chǎn)(chǎn)系統(tǒng)中用于提升輕型圓柱形物體。Materialise瑪瑞斯與客戶(hù)通過(guò)密切合作，對夾持器進(jìn)(jìn)行重新設(shè)計(jì)，帶來(lái)了幾項(xiàng)重大的改進(jìn)(jìn)。其中之一就是每個(gè)(gè)夾持器的制造成本得以減半。

▲  客戶(hù)用于3D打印的設(shè)計(jì)

客戶(hù)的夾持器最初是采用傳統(tǒng)生產(chǎn)(chǎn)工具制造的。從不同方向鉆了幾個(gè)(gè)直孔，便于相互交叉，形成必要的內(nèi)部通道，開(kāi)口處用空塞密封。為避免進(jìn)(jìn)一步增加組件成本，客戶(hù)沒(méi)有進(jìn)(jìn)行任何進(jìn)(jìn)一步可以減少夾具體積的銑削工作。

客戶(hù)之前有過(guò)塑料零件增材制造的經(jīng)(jīng)驗(yàn)，并且清楚AM在成本和效率方面的優(yōu)(yōu)勢，尤其是在生產(chǎn)(chǎn)工具方面。盡管如此，在重新設(shè)計(jì)之前，他們必須首先思考，該夾持器的制作是否有必要應(yīng)用3D打印。將他們對夾持器的要求與3D打印帶來(lái)的可能性進(jìn)(jìn)行比較，得出了一個(gè)(gè)明確的結(jié)果：3D打印可以降低夾持器的制造成本，減輕夾持器的重量便于進(jìn)(jìn)行更快的移動(dòng)，形成更短的夾持周期，夾持器也能有更好的真空分布，并減少了錯(cuò)漏情況。AM的自由設(shè)計(jì)可以實(shí)(shí)現(xiàn)以上所有目標(biāo)。

客戶(hù)選擇的材料是鋁。一方面，金屬比塑料更輕量耐磨。另一方面，它可以形成易于清潔的光滑表面，能在生產(chǎn)(chǎn)過(guò)程中輕松保持夾具的清潔。此外，鋁在經(jīng)(jīng)濟(jì)層面上非常適合用于高價(jià)(jià)值和小批量的中小型部件。

在客戶(hù)自己AM開(kāi)發(fā)(fā)設(shè)計(jì)完畢后，他們希望通過(guò)Materialise瑪瑞斯進(jìn)(jìn)行生產(chǎn)(chǎn)。我們的設(shè)計(jì)與工程團(tuán)隊(duì)很快意識到可以進(jìn)(jìn)一步改進(jìn)(jìn)設(shè)計(jì)。雖然客戶(hù)自己的設(shè)計(jì)已經(jīng)(jīng)顯著(zhù)減輕了零件重量，但這樣設(shè)計(jì)的生產(chǎn)(chǎn)成本高于原先的傳統(tǒng)生產(chǎn)(chǎn)方法，并且內(nèi)部通道沒(méi)有進(jìn)(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)(xué)優(yōu)(yōu)化。

▲  Siemens NX Realize Shape模塊

在客戶(hù)同意后，我們的工程師開(kāi)始對該設(shè)計(jì)進(jìn)(jìn)行進(jìn)(jìn)一步的優(yōu)(yōu)化。使用可實(shí)(shí)現(xiàn)自由形式建模的Siemens NX Realize Shape模塊進(jìn)(jìn)行重新設(shè)計(jì)。專(zhuān)家們還通過(guò)Magics軟件的預(yù)覽功能優(yōu)(yōu)化了打印過(guò)程中的幾何形狀，該功能可以在選定的方向上顯示組件的所有必要支撐區(qū)域，確保組件內(nèi)部不需要支撐結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)這樣的安裝布置進(jìn)(jìn)一步減少了所需支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量，并優(yōu)(yōu)化了夾持區(qū)域接觸面的質(zhì)(zhì)量。新一版的設(shè)計(jì)確保了夾持點(diǎn)(diǎn)上真空部分的均勻分布，能更有效地夾取圓柱體。

▲  圖01：Materialise Magics中預(yù)覽功能顯示所需的最小化支撐 (左)，部分 (右) 顯示無(wú)支撐通道。

隨后，Materialise工程團(tuán)隊(duì)流暢化材料厚度過(guò)渡區(qū)域，從而減少組件的張力線(xiàn)。這一點(diǎn)(diǎn)很重要，因?yàn)閺埩€(xiàn)不僅會(huì )對影響組件外觀(guān)，還會(huì )影響最終零件的機(jī)械性能。

通過(guò)這種方式最大化減少了組件的總體積和重量。與金屬切割工藝不同，3D金屬打印中未使用的材料大部分可以回收并直接重復(fù)使用，直接減少了材料成本。因此，僅部件和支撐結(jié)構(gòu)實(shí)(shí)際需要的材料才會(huì )產(chǎn)(chǎn)生成本。在非關(guān)(guān)鍵區(qū)域與組件的少量支撐和最小化的接觸表面也便于進(jìn)(jìn)行打印后的處理。這樣一來(lái)，客戶(hù)就能夠輕松省時(shí)(shí)地移除支撐結(jié)構(gòu)。最后就只需要切割組裝螺紋。

與客戶(hù)的原始3D打印模型相比，這版設(shè)計(jì)在時(shí)(shí)間和成本控制上大有優(yōu)(yōu)勢：每次構(gòu)建中的組件數(shù)量從28個(gè)(gè)增加到46個(gè)(gè)。組件的新幾何形狀能在構(gòu)建平臺上進(jìn)(jìn)行更有效的排列，從而也降低了單件價(jià)(jià)格。

▲  圖02: 夾持器吸取區(qū)域的視圖

▲  圖03：針對3D打印優(yōu)(yōu)化的夾持器 

原始工具、第一個(gè)(gè)3D打印模型和最終設(shè)計(jì)三者之間體積和制造成本的比較顯示了設(shè)計(jì)優(yōu)(yōu)化取得的巨大進(jìn)(jìn)展：雖然客戶(hù)的初版設(shè)計(jì)模型體積已經(jīng)(jīng)比原始工具體積減少了79%，但經(jīng)(jīng)過(guò)Materialise優(yōu)(yōu)化的夾持器現(xiàn)在只有原始組件體積的6%。Materialise版本的單個(gè)(gè)零件成本也降低到了150 歐元，客戶(hù)的初版設(shè)計(jì)的生產(chǎn)(chǎn)成本會(huì )高出6%。

總而言之，夾持器的例子展示了如何使用增材制造和優(yōu)(yōu)化的增材設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)(shí)現(xiàn)更低價(jià)(jià)、更輕量化且經(jīng)(jīng)過(guò)功能優(yōu)(yōu)化的生產(chǎn)(chǎn)工具。該示例還展示了經(jīng)(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的工具質(zhì)(zhì)量對項(xiàng)目盈利能力的決定性影響。鑒于這些巨大的改進(jìn)(jìn)，客戶(hù)決定在未來(lái)以?xún)?yōu)(yōu)化的3D打印設(shè)計(jì)制造他們的夾持器。

來(lái)源： Materialise 瑪瑞斯