創(chuàng)成式設(shè)計(jì)+3D打印+鑄造,，成就輕量化零件

當(dāng)前在3D打印領(lǐng)域,，提到最多的可能是拓?fù)鋬?yōu)化,，而不是創(chuàng)成式設(shè)計(jì),。雖然很多場(chǎng)合二者都是混為一談的,，但細(xì)究起來(lái)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過(guò)迭代并調(diào)整來(lái)找到一個(gè)（優(yōu)化）模型,。拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）是對(duì)給定的模型進(jìn)行分析,，常見(jiàn)的是根據(jù)邊界條件進(jìn)行有限元分析，然后對(duì)模型變形或刪減來(lái)進(jìn)行優(yōu)化,。

圖片：創(chuàng)成式帶來(lái)多種設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果,，來(lái)源：歐特克

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design）是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過(guò)程,。根據(jù)輸入者的設(shè)計(jì)意圖,，通過(guò)”創(chuàng)成式”系統(tǒng),，生成潛在的可行性設(shè)計(jì)方案的幾何模型，然后進(jìn)行綜合對(duì)比,，篩選出設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策,。

圖片：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的自行車(chē)部件，來(lái)源：歐特克

通俗理解創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一種通過(guò)設(shè)計(jì)軟件中的算法自動(dòng)生成藝術(shù)品,、建筑模型,、產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)方法。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一種參數(shù)化建模方式,，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,，當(dāng)設(shè)計(jì)師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整判斷,，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì),。目前比較著名的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件包括歐特克的Within，歐特克的Dreamcatcher,，西門(mén)子的Solid Edge ST10等,。

圖片：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的自行車(chē)部件，來(lái)源：歐特克

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將激發(fā)設(shè)計(jì)師通過(guò)手動(dòng)建模不易獲得的思想靈感,，創(chuàng)造出擁有不尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作品,。3D打印技術(shù)由于可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，注定已成為創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的“好伙伴”,。

圖片：歐特克創(chuàng)成式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)果

那么創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的零件為什么不同過(guò)我們所熟悉的粉末床激光熔融方式來(lái)加工呢,？通過(guò)視頻，我們可以了解到,，通過(guò)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(guò)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(lái)制作精密模具,，亞克力不僅經(jīng)濟(jì)性高，而且材料的負(fù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密鑄造,。

圖片：去除模具，來(lái)源：歐特克

通過(guò)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)輕量化的飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)件,，歐特克位于 San Francisco的9號(hào)碼頭創(chuàng)新工廠嘗試通過(guò)3D打印熔模來(lái)鑄造鎂合金,，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī),，預(yù)計(jì)可以通過(guò)減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬(wàn)美元的成本,。

另外胞元結(jié)構(gòu)是通過(guò)歐特克的netfabb軟件設(shè)計(jì)成的，歐特克的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，這種胞元結(jié)構(gòu)通過(guò)金屬打印的方式生產(chǎn)出來(lái)并不是當(dāng)前最好的方法,，他們結(jié)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(dòng)制造業(yè)跨越式發(fā)展,，并能夠生產(chǎn)非常復(fù)雜的產(chǎn)品,，但目前材料選項(xiàng)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(wàn)種的金屬和復(fù)合材料中進(jìn)行選擇,。因此，該項(xiàng)目利用了3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì),，而不完全依賴于3D打印技術(shù),。

圖片：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的部件，來(lái)源：歐特克

利用3D打印和鑄造,，使兩種方法相互補(bǔ)充來(lái)生產(chǎn)飛機(jī)座椅骨架,。鑄造提供了更實(shí)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(hào)碼頭創(chuàng)新工廠，配備了一系列的3D打印技術(shù)和數(shù)控機(jī)床,，但9號(hào)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(gè)項(xiàng)目,。

Aristo Cast鑄造公司通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目了解了更多關(guān)于先進(jìn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù),，這些對(duì)于傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)還是很新的。雙方經(jīng)過(guò)一系列的探討,，最終決定用鎂合金來(lái)完成鑄造過(guò)程,。當(dāng)然，鎂合金的鑄造過(guò)程并不容易,，采用不同的型殼體系，或者澆注前對(duì)型殼的焙燒工藝不同,，鎂合金冷卻的過(guò)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(guò)程中的氧化和燃燒問(wèn)題,。
基于鎂合金零件的鑄造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,，雙方將模型進(jìn)行了謹(jǐn)慎的鑄造仿真。通過(guò)Netfabb軟件進(jìn)行模型的修改,，再通過(guò)鑄造仿真確認(rèn)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(guò)程。最終,，飛機(jī)座椅骨架減重了56%,，減重來(lái)自于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，以及輕量化鎂合金材料,。

最終,，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)和3D打印已經(jīng)將飛機(jī)座椅骨架實(shí)現(xiàn)了減重，而鎂合金比鋁輕35%,，通過(guò)材料的選擇,，又進(jìn)一步將座椅骨架減重。這對(duì)商業(yè)航空公司意味著什么,？如果以100架A380飛機(jī)服役20年來(lái)計(jì)算,，航空公司將節(jié)省2億多美元的燃料費(fèi)用。這好比8萬(wàn)輛汽車(chē)一年減少的126000噸的二氧化碳排放量,。

當(dāng)然正如視頻中所提到,，并非是所有的胞元結(jié)構(gòu)都適合通過(guò)精密鑄造的方式來(lái)制造，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,，必須要考慮到如何去除金屬胞元結(jié)構(gòu)間隙間的鑄造殘留物,，有時(shí)候這些殘留物是無(wú)法去除的。此外,，當(dāng)你鑄造完成的零部件還需要CNC機(jī)床加工的時(shí)候,，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還需要考慮到機(jī)床加工過(guò)程的裝夾需求，將這些部位體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中,。

圖片：機(jī)加工中的輕量化零件,，來(lái)源：歐特克

總之，實(shí)現(xiàn)輕量化,，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與3D打印模具以及與鑄造的結(jié)合,，是加工大型結(jié)構(gòu)件值得思考和采用的方案。


來(lái)源：3D科學(xué)谷