增材制造—为金属工业设计零部件以功能为导向创造了机会

文／马丽华·西马克集团

作为一种全新的制造工艺，3D 打印业已对传统制造（减材）工艺形成了实实在在的替代。西马克集团已经成功地利用增材制造来生产某些零部件并应用于炼钢和锻造行业，尽管这些工艺过程往往以环境条件严苛、高温而著称。本文中，西马克集团的专家Sarah Hornickel 先生介绍了增材制造的设计原理、该技术的诸多优势及其在西马克集团内部应用的实例。

以实现功能为目标而无需考虑如何制造的设计理念

要充分发挥3D 打印技术的潜力，非常关键的一点是彻底抛弃传统的从如何制造出发的设计思路，再也不需要考虑来料的几何形状，更不需要考虑具体的加工方法的特殊要求，包括铣、钻等等。零部件的设计需要推倒重来，这是一种崭新的模式。现在，利用增材制造，零部件的外形设计严格围绕零部件的功能而定，而且仅仅考虑功能即可，这意味着首先要分析每一个部分甚至每一个组装件的功能。

在弄清楚了该部件的功能或要达到的目的之后，其形状可随之调整。与传统制造方式不同，增材制造不需要考虑加工车间现有加工工具的限制，因为完全用不到加工工具。举例来说，液压阀块的内部通道就可以做成一种更符合流量优化的形状。传统制造加工出的内部通道截面一般是长方形，会造成显著地流速损失，由此还会导致通道内部污垢沉积；用3D 打印可以将流体通道设计地更加流畅和顺滑，将流速损失降到最小，流速也更均匀，如图1 所示。

由图1 可知，传统钻孔工艺的流体通道中液体的流速在纵剖面上是不均匀的，在急弯处（蓝色区域），液体是停滞不流动的；与此形成鲜明对比的是，在增材制造的通道中整个几何剖面上液体流速几乎是均匀一致的。由于流速均匀，从而消除了通道内的紊流，同时也降低了能耗。液压阀块内流量优化的外形变化还可能对外围设备的尺寸带来影响，比如液压泵站就可以更小。

设计实例：润滑分配器

润滑分配器就是应用此类流体通道优化的实际案例之一。分配器的功能是分配和传送两种介质：水和润滑液。对这个零件来说空间是个挑战，因为分配器的外径不能超过48mm。

传统设计是在一件实心圆柱体的三个维度上钻几个通道，其难度可想而知。然而增材制造任何奇怪的形状都可以做出来，所以分配器的内孔可以安排的相当紧凑。当然，设计必须满足零部件应用工艺的特性，成本也是必须要考虑的。

一方面，零部件的高度应该尽可能地低，零部件的打印时间越长，机器的占用时间就越长；另一方面，将零部件设计成直立的长条状是最优化的打印平台方案，也有助于提高生产效率，所以必须在这两者之间找到最优的折中点。

润滑分配器（图2）设计成直立的长条状必然导致加工时间较长，但两个很关键的原因决定了这一设计：一是介质通道要求12mm 的内径，如果做成扁平状，就需要对通道内壁增加额外支撑；二是零部件的附加支撑越多，后续的加工就越复杂，在零件成形后，其他孔必须做二次加工以连接螺纹，这些支撑（图2蓝色部分）在二次加工过程中可以很容易的去掉。理想的增材制造零件的设计几乎没有支撑结构，因此零件是自支撑的。

应用实例：挤压机上用的轴承座

轴承座是挤压机喂料系统的一个零部件，其功能是为液压缸拉杆提供支撑和导向，整套挤压机上会用到很多这种零部件。由于磨损，该零部件使用一段时间后就得更换，但是不同零部件的磨损速度不同，只有严重磨损的才需要更换，因此客户对备件的需求数量并不多，但是要求备件的交货期必须非常短，否则整个挤压机必须停机，客户就无法继续生产。

过去该零部件采用铸造工艺，制备模具、铸造、后期加工，导致供货周期很长。现在，使用激光粉床熔融技术，西马克集团可以在几天内向客户交付备件；同时，也不需要在德国制造，因为可以在全球任何地方生产。未来，只需将零件的CAD 数据文件发送到靠近客户的一台3D 打印机上，即可完成制造。

使用逐层制造的方式制造零部件，仅仅拷贝零部件的外形而不针对这种技术对其进行改变和调整是不行的，因此有必要对这种轴承座进行重新设计。为了实现增材制造的各种优势，需要分析零件当前的负荷，并进行拓扑结构优化（图3）来找到最佳的形状来承托这一负荷。进行计算前，首先要界定哪些地方是不能改变设计的，比如零件的安装固定点不变，需要承托导向的液压杆直径不变等。

对经拓扑结构优化后的外形进行重新设计后，要进行进一步的有限元分析。结果证明，新设计具有更高的强度，与传统设计相比，安全系数也提高了。另外由于节省了材料，轴承座的重量也减轻了；因为可以按需生产备件，备件的库存成本也可以省掉。传统方式与增材制造生产的轴承座对比见图4。

应用实例：SIS 射流器

喷射系统的射流器(SIS)，它是集成在电弧炉(EAF)上的一个零件。这一零件将烧嘴和喷射系统结合在一起，用于熔炼废钢。炉内形成的巨大、稳定的火焰可以熔化炉子冷区的废料。该零件的功能是在各预定义阶段传送、加速和混合介质。

SIS 射流器的传统设计基于焊接组件，由八个独立的部件构成，重量约18kg。其形态硕大，空间受限，安装困难。另外，这种焊接组件的制造成本也很高。

为了减少射流器的部件数量、减小体积，对其进行了新的设计（图5）。增材制造设计的该部件为一体式，重量减轻了80%；由于铜合金有着良好的热传导特性，采用了铜合金材质，如图6 所示；此外，还对所采用的拉瓦尔喷嘴的优化形状进行了计算。

在采用激光粉床熔融的方式对金属进行制造的过程中，其几何形状是自支撑的，所以构建过程中部件内部没有任何支撑结构。

这件SIS 射流器在德国埃森Gas und Wärme Institut(GWI)公司进行了实际工况(操作温度1500℃)下的运行测试，目的是分析在不同空气当量时火花塞在引燃模式下的点火效果，并设定稳定的引燃操作。在安装到电弧炉之前，采用增材制造的SIS 射流器配备了大量测量技术以记录运行期间的压力和温度，如图7 所示。

提供增材制造设计服务

西马克集团向市场提供增材制造零部件的设计服务。我们的专家将协助客户辨识并分析适合增材制造的零部件，进而进行设计优化和过程模拟。通过这种服务，客户可获得的好处是：增材制造机械零部件的多年设计经验、利用计算和优化软件获得理想的零部件设计、获得增材制造业界良好的网络资源。

总结

作为重型机械设备制造行业的一员，西马克集团已经实施了一大批基于数字化3D 设计数据的机械零部件的创新解决方案，充分展示了增材制造工艺所带来的巨大优势。其中最重要的优势包括，动态运动部件的重量显著减轻，优化流体动力模式并提高了能源效率，简化了安装和调试步骤，简易的定制化设计，大大缩短交货期，实现本地化生产的可能性等。增材制造，带来了无可比拟的新的制造机会，有效帮助了西马克集团诸多客户显著提升了设备性能。