如何在3D打印跑車零件的各個環(huán)節(jié)降低成？弗勞恩霍夫研究所給出了答案

導讀：汽車行業(yè)是采用增材制造的眾多行業(yè)之一，目前已經(jīng)將這項技術(shù)用于各種形式的應用。然而，到目前為止，許多應用案例僅限于小批量，因為3D打印還不能在保證零件成本足夠低的同時提供傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)技術(shù)的吞吐量。

2022年1月25日，南極熊獲悉，弗勞恩霍夫增材制造技術(shù)研究所（IAPT）通過重新設(shè)計一輛豪華跑車的車門鉸鏈，展示了3D打印如何為技術(shù)性能和制造成本帶來好處。

在這個零件重新設(shè)計項目中，IAPT的工程師們優(yōu)化了從車門鉸鏈的幾何形狀、構(gòu)建方向和工藝參數(shù)等內(nèi)容，最大限度地節(jié)約成本和重量。

IAPT表示，項目的結(jié)果對汽車行業(yè)的批量生產(chǎn)是個好兆頭，因為3D打印在汽車行業(yè)的日常運作中被越來越多地使用。

△3D打印的車門鉸鏈，照片來自弗勞恩霍夫IAPT

簡化汽車生產(chǎn)

弗勞恩霍夫項目表明，3D打印技術(shù)目前在汽車領(lǐng)域還沒有得到充分利用，而更大批量的生產(chǎn)應用仍在醞釀之中。

目前，3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應用主要包括：

① 快速原型設(shè)計，因為新車型的研發(fā)階段可能需要長達五年的時間。在研發(fā)過程中，不可避免地要開發(fā)和測試幾個零件原型，這意味著需要快速的設(shè)計迭代和最短的交貨時間：這是增材制造的主要賣點之一。

② 用3D打印制造工具，如夾具，以幫助生產(chǎn)和裝配工作流程。甚至還有可能應用于制造已經(jīng)過時的零件售后市場。3D打印使零件供應商能夠按需打印，完全消除了對零件庫存的需求。

就在上個月，跑車制造商保時捷對3D打印機制造商INTAMSYS進行了戰(zhàn)略投資，以探索更多可以在自身制造業(yè)務中部署3D打印的方式。保時捷表示，3D打印是未來數(shù)字制造技術(shù)的一個 "組成部分"，因此值得 "長期和持續(xù) "投入。

此外，捷克汽車制造商斯柯達最近宣布，他們一直在使用3D打印來加強自己的工作流程，將原型、備件和工具的生產(chǎn)引入內(nèi)部。目前，斯柯達已經(jīng)建立了3D打印農(nóng)場，采用了由Prusa等公司開發(fā)的系統(tǒng)。

△斯柯達的打印農(nóng)場項目得到了捷克共和國工業(yè)聯(lián)合會的認可，圖片來自斯柯達

如何降低3D打印門鉸鏈的成本

在開始設(shè)計工作之前，弗勞恩霍夫的工程師們使用3D Spark公司開發(fā)的部件篩選軟件，確定一個適合示范研究的汽車部件。

在項目的早期階段，團隊確定了零部件在構(gòu)建室中的最經(jīng)濟的方向。工程師們考慮到了必要的支持結(jié)構(gòu)，以及他們可以在一次構(gòu)建中容納的零件數(shù)量。與不考慮這些因素的3D打印構(gòu)建相比，方向優(yōu)化步驟帶來了15%的成本節(jié)約。

接下來是鉸鏈臂本身的拓撲優(yōu)化。通過減少不必要的材料，只加強模擬力流所需的部分，工程師們能夠?qū)�鉸鏈臂的重量減少35%。隨后的材料節(jié)省和更短的打印時間進一步節(jié)省了20%的成本。

弗勞恩霍夫團隊還計算了與減少后處理（通過減少支撐結(jié)構(gòu)）和為工作選擇最佳金屬粉末材料有關(guān)的額外成本節(jié)約：各為10%。

有趣的是，該研究發(fā)現(xiàn)，即使是3D打印過程中使用的構(gòu)建參數(shù)，也會帶來成本節(jié)約。例如，更厚的層、更快的掃描速度和激光束輪廓的變形都有助于縮短構(gòu)建時間，將打印成本再削減15%。

最終，這種以成本為重點的設(shè)計方法使IAPT的工程師們能夠3D打印鉸鏈，與沒有同樣優(yōu)化的3D打印對應物相比，成本大幅降低80%。當與CNC銑削的對應產(chǎn)品相比，該項目分別節(jié)省了50%和35%的成本和重量。