巴斯夫FDM 金屬3D打印柴油發(fā)動機零件，有望助力利勃海爾實現(xiàn)批量化生產(chǎn)

南極熊導讀：FDM 金屬3D打印不銹鋼成功應用于重型柴油發(fā)動機托架零件，滿足高性能要求，而且成本相對較低，有望批量化生產(chǎn)制造。

當企業(yè)希望通過增材制造技術(shù)改變傳統(tǒng)制造方法時，選擇經(jīng)驗豐富且值得信賴的3D打印專家合作伙伴是成功的關鍵。Forward AM 借助其專業(yè)增材制造咨詢服務以及虛擬工程領域深厚的專業(yè)知識，為世界領先的工程機械生產(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，幫助利勃海爾建立“增材制造思維”，通過3D打印出首個零部件原型并有望實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

目前，利勃海爾零部件部門開始進一步轉(zhuǎn)型，并計劃推動利勃海爾集團其它生產(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劃將 Forward AM 的先進聚合物粉末、工程級塑料線材及多用途樹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？讓我們來看看兩家公司是如何建立起合作關系的。

△利勃海爾零部件部門與 Forward AM 合作項目時間軸與大事記（圖片來源：利勃海爾零部件部門）

挑戰(zhàn)：建立增材制造思維
位于法國的利勃海爾 SAS 工廠致力于開發(fā)、設計、裝配和測試用于重型機械的大型柴油機。如下圖所示，看起來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)動該公司重型機械和發(fā)電設備發(fā)動機的托架。

△打印的托架（紅色部分）對護柵（黃色部分）起到支撐作用（圖片來源：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增材制造頗感興趣，因此向 Forward AM 進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)領域的應用。

憑借其頂尖虛擬工程服務，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)所能帶來的好處，這種虛擬分析能具體到單個零部件的優(yōu)化。Forward AM 的虛擬工程師全面共享相關知識并提供同步咨詢服務，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)動機托架原型后，利勃海爾零部件部門和 Forward AM 對發(fā)動機托架進行數(shù)字化仿真優(yōu)化，并在隨后的概念驗證階段生產(chǎn)出實體零部件。

△由 Ultrafuse® 316L 不銹鋼線材打印而成的發(fā)動機托架（圖片來源：利勃海爾零部件部門）

在準備大規(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，達到精準、可靠、穩(wěn)定以及安全的標準。為了使利勃海爾確信這一點，F(xiàn)orward AM 虛擬工程師通過數(shù)字仿真，精確預測新材料的表現(xiàn)，并展示了最終成型的托架安裝于發(fā)動機后將會具備的性能表現(xiàn)。
由巴斯夫開發(fā)的軟件集合Ultrasim® 是 Forward AM 進行大量仿真和虛擬工程時用到的關鍵工具。利用 Ultrasim®，仿真專家可十分精確地結(jié)合材料的復雜屬性及行為。

在材料選擇上，F(xiàn)orward AM 首選Ultrafuse® 316L 先進金屬線材，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虛擬工程師開始設計從概念到最終成品的完整開發(fā)過程。由于這個零部件是采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式設計和制造，所以我們的第一步是通過數(shù)字化拓撲優(yōu)化，充分利用增材制造優(yōu)勢，確定最佳零部件結(jié)構(gòu)。這一過程只有依賴虛擬工程和采用自由度大幅度提升的3D打印設計才能實現(xiàn)。

△第一步：拓撲優(yōu)化—黃色箭頭表示作用于零部件的機械應力（圖片來源：Forward AM）。

工程師通過虛擬方式，基于實際運行中產(chǎn)生的機械應力來確定最佳零部件結(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，以及沒有顯著的機械或熱力應用而可去掉材料的部分。

拓撲優(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 打印才能實現(xiàn)的設計方式：將點陣結(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)的重量而絲毫不會降低其功能性和穩(wěn)定性。

△經(jīng)拓撲優(yōu)化的金屬 3D 打印設計（圖片來源：Forward AM）。

由于只在必要處使用材料且整合了點陣填充結(jié)構(gòu)，重新設計后的托架總重量從 343 克減少至 167 克，減輕了超過 50% 的重量。理論上，重量減輕意味著單個零部件生產(chǎn)成本下降，使用的材料更少，從而縮短了生產(chǎn)過程中的打印時間。

在結(jié)構(gòu)模擬的過程中，F(xiàn)orward AM對剛打印出來的零部件進行仿真模擬, 隨后模擬脫脂燒結(jié)，得到最終零部件。同時，通過虛擬3D打印的發(fā)動機托架的安裝與運行，可將其與原有托架的耐機械應力和耐溫度應力表現(xiàn)進行比較，從而確保點陣結(jié)構(gòu)在真實的惡劣條件下能達到預期性能。

△應用結(jié)構(gòu)仿真確保零部件能承受住最終應用時的工作負荷（圖片來源：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，工程師還進行了頻率分析，評估四個發(fā)動機托架組合到一起能否承受住整個結(jié)構(gòu)極高的工作負荷或是否能達到本征頻率。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有差別。Forward AM 虛擬工程師進一步加入了關鍵的安全性優(yōu)勢，確保打印出的零部件不僅能承受額定工作負荷，還能安全地承受住額定工作負荷 3 倍的應力。

△發(fā)動機托架的虛擬裝配（圖片來源：Forward AM）

成功打印零部件后，對零部件進行全面的 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。

△對打印的零部件進行精密掃描，確保其精度（圖片來源：Forward AM）。

經(jīng)過上述過程，利勃海爾零部件部門最終同意使用3D打印制造托架并應用于目標用途。利勃海爾零部件部門對托架進行了詳盡的測試，確保虛擬分析出的零部件性能在實際生產(chǎn)后符合其嚴格的質(zhì)量與功能性標準。為使實際裝配過程更加高效，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，這項要求不需要增加任何額外的生產(chǎn)步驟就能實現(xiàn)！

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

“通過使用 Forward AM 的 Ultrafuse® 316L 金屬線材打印零部件原型，我們實現(xiàn)了主營產(chǎn)品（發(fā)動機）3D 打印的目標。”

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