創(chuàng)成式設計+3D打印+鑄造，成就輕量化零件

當前在3D打印領域，提到最多的可能是拓撲優(yōu)化，而不是創(chuàng)成式設計。雖然很多場合二者都是混為一談的，但細究起來創(chuàng)成式設計（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)整來找到一個（優(yōu)化）模型。拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）是對給定的模型進行分析，常見的是根據(jù)邊界條件進行有限元分析，然后對模型變形或刪減來進行優(yōu)化。

圖片：創(chuàng)成式帶來多種設計優(yōu)化結果，來源：歐特克

創(chuàng)成式設計（Generative Design）是一個人機交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設計意圖，通過”創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。

圖片：創(chuàng)成式設計的自行車部件，來源：歐特克

通俗理解創(chuàng)成式設計是一種通過設計軟件中的算法自動生成藝術品、建筑模型、產(chǎn)品模型的設計方法。創(chuàng)成式設計是一種參數(shù)化建模方式，在設計的過程中，當設計師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動進行調(diào)整判斷，直到獲得最優(yōu)化的設計。目前比較著名的創(chuàng)成式設計軟件包括歐特克的Within，歐特克的Dreamcatcher，西門子的Solid Edge ST10等。

圖片：創(chuàng)成式設計的自行車部件，來源：歐特克

創(chuàng)成式設計將激發(fā)設計師通過手動建模不易獲得的思想靈感，創(chuàng)造出擁有不尋常的復雜幾何結構設計作品。3D打印技術由于可以將復雜的設計轉化為現(xiàn)實，注定已成為創(chuàng)成式設計的“好伙伴”。

圖片：歐特克創(chuàng)成式設計實現(xiàn)輕量化結果

那么創(chuàng)成式設計的零件為什么不同過我們所熟悉的粉末床激光熔融方式來加工呢？通過視頻，我們可以了解到，通過選擇性激光熔融加工方式的成本大概是3D打印精密模具+鑄造總成本的3倍。

此外，視頻中通過voxeljet-維捷的3D打印精密模具的方式，選用的是PMMA亞克力材料來制作精密模具，亞克力不僅經(jīng)濟性高，而且材料的負收縮率解決了精密鑄造容易出現(xiàn)的漲殼現(xiàn)象，使得尤其適合用于復雜結構的精密鑄造。

圖片：去除模具，來源：歐特克

通過創(chuàng)成式設計輕量化的飛機座椅結構件，歐特克位于 San Francisco的9號碼頭創(chuàng)新工廠嘗試通過3D打印熔模來鑄造鎂合金，從而實現(xiàn)飛機座椅的輕量化。這種座椅結構件適合任何標準的商用噴氣式飛機，預計可以通過減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬美元的成本。

另外胞元結構是通過歐特克的netfabb軟件設計成的，歐特克的科學家發(fā)現(xiàn)，這種胞元結構通過金屬打印的方式生產(chǎn)出來并不是當前最好的方法，他們結合了現(xiàn)代的3D打印PMMA精密鑄造模具的制造方法與傳統(tǒng)的鑄造方法。雖然，金屬3D打印在推動制造業(yè)跨越式發(fā)展，并能夠生產(chǎn)非常復雜的產(chǎn)品，但目前材料選項仍然有限。目前增材制造支持的材料只有幾十種，但鑄造可以在成千上萬種的金屬和復合材料中進行選擇。因此，該項目利用了3D打印的技術優(yōu)勢，而不完全依賴于3D打印技術。

圖片：創(chuàng)成式設計的部件，來源：歐特克

利用3D打印和鑄造，使兩種方法相互補充來生產(chǎn)飛機座椅骨架。鑄造提供了更實惠的方式生產(chǎn)座椅框架，不僅僅是單件成本更低，從生產(chǎn)效率看適合生產(chǎn)更大的數(shù)量。歐特克的9號碼頭創(chuàng)新工廠，配備了一系列的3D打印技術和數(shù)控機床，但9號碼頭并不具備鑄造能力。為此，歐特克與Aristo Cast鑄造公司合作了這個項目。

Aristo Cast鑄造公司通過這個項目了解了更多關于先進的設計和優(yōu)化技術，這些對于傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)還是很新的。雙方經(jīng)過一系列的探討，最終決定用鎂合金來完成鑄造過程。當然，鎂合金的鑄造過程并不容易，采用不同的型殼體系，或者澆注前對型殼的焙燒工藝不同，鎂合金冷卻的過程也不相同，得到的鑄件組織也不同。并且還需要注意解決鎂合金在熔煉和澆注過程中的氧化和燃燒問題。
基于鎂合金零件的鑄造是一個復雜的過程，雙方將模型進行了謹慎的鑄造仿真。通過Netfabb軟件進行模型的修改，再通過鑄造仿真確認其性能。更新后的三維模型，在3D打印完成后，被送到Aristo Cast，在3D打印的塑料外層涂覆了陶瓷涂層，隨后塑料加熱蒸發(fā)，陶瓷殼變硬了，最后將鎂合金注入到型腔中，完成鑄造過程。最終，飛機座椅骨架減重了56%，減重來自于創(chuàng)成式設計，以及輕量化鎂合金材料。

最終，通過輕量化設計和3D打印已經(jīng)將飛機座椅骨架實現(xiàn)了減重，而鎂合金比鋁輕35%，通過材料的選擇，又進一步將座椅骨架減重。這對商業(yè)航空公司意味著什么？如果以100架A380飛機服役20年來計算，航空公司將節(jié)省2億多美元的燃料費用。這好比8萬輛汽車一年減少的126000噸的二氧化碳排放量。

當然正如視頻中所提到，并非是所有的胞元結構都適合通過精密鑄造的方式來制造，在設計的過程中，必須要考慮到如何去除金屬胞元結構間隙間的鑄造殘留物，有時候這些殘留物是無法去除的。此外，當你鑄造完成的零部件還需要CNC機床加工的時候，在設計的過程中還需要考慮到機床加工過程的裝夾需求，將這些部位體現(xiàn)在設計中。

圖片：機加工中的輕量化零件，來源：歐特克

總之，實現(xiàn)輕量化，創(chuàng)成式設計與3D打印模具以及與鑄造的結合，是加工大型結構件值得思考和采用的方案。


來源：3D科學谷