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羅伯特博世印度采用海克斯康工藝仿真軟件實現夾具工裝數字輕量化

面臨的挑戰:
博世公司采用(yong) IRIS 夾具工(gong)(gong)裝(zhuang)(圖(tu) 1)來制造電機的(de)轉子部件。通常每年(nian)需要生(sheng)產 200 套此類(lei) IRIS 工(gong)(gong)裝(zhuang),用(yong)于(yu)組裝(zhuang)各種類(lei)型的(de)電機。直到最近,IRIS 工(gong)(gong)裝(zhuang)還(huan)是采用(yong)傳統的(de)兩部分(fen)鑄(zhu)造工(gong)(gong)藝來制造的(de)。

為節約加工(gong)成(cheng)本和(he)時間(jian),提出了(le)采用增材制造方法(fa)用單個部件來生產夾具工(gong)裝的(de)想法(fa),其目的(de)是在(zai)不損害(hai)部件機械強度的(de)情況下(xia)盡(jin)量減輕重量。



來自海克斯康的解決方案:
博世工程師決(jue)定使(shi)用 MSC 軟件的(de)(de) Simufact Additive 產品(pin)對增材制(zhi)造(AM)金(jin)屬(shu)制(zhi)作(zuo)(zuo)工藝及(ji)后續的(de)(de)后處(chu)理(li)步驟(zou)進(jin)行建(jian)模,這樣在昂貴的(de)(de)增材制(zhi)造工作(zuo)(zuo)開始之前(qian)就(jiu)可以消除設計錯誤。Simufact Additive 能(neng)有效地(di)預(yu)測增材制(zhi)造過程中殘余(yu)應力的(de)(de)大小和分布,同時將工藝類型、制(zhi)作(zuo)(zuo)速(su)度(du)、制(zhi)作(zuo)(zuo)順序、約束量(liang)等變(bian)量(liang)考慮在內。在增材制(zhi)造過程中,劇烈的(de)(de)局部加熱和冷卻通(tong)常會在部件中產生(sheng)(sheng)不均勻的(de)(de)熱膨脹和收縮,導致熱影響區內出現殘余(yu)應力的(de)(de)復雜(za)分布并使(shi)整個結構(gou)產生(sheng)(sheng)意外(wai)變(bian)形。

此外(wai),這(zhe)些殘余應力還有可能加速增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)部(bu)件的斷裂和(he)疲勞(lao),并(bing)在(zai)打印部(bu)件的工作(zuo)期間(jian)引起不可預(yu)測的壓曲(qu)。因(yin)此,在(zai)進行(xing) 3D 打印之前,一(yi)定要預(yu)測增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)工藝(yi)的行(xing)為并(bing)優(you)化設計/制造(zao)(zao)(zao)參數。Simufact Additive 能預(yu)測增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)制作(zuo)空間(jian)內多個組件的影響,通(tong)過進行(xing)靈敏度研究(jiu)來確定最佳制作(zuo)方向,減少物理迭(die)代次數,可縮短增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)的總時間(jian),因(yin)而(er)具備設計生產率高的優(you)勢(shi)。

對考慮進行(xing)替換且無(wu)預(yu)補償的(de)部(bu)件(jian)(圖(tu) 2)進行(xing)了第一次Simufact Additive 預(yu)測分析(情(qing)況 1),發現由(you)于 3D 打(da)印部(bu)件(jian)局部(bu)溫度較高而導(dao)致嚴重的(de)制造(zao)問(wen)題:如果該(gai)部(bu)件(jian)采用增材制造(zao)工藝,最(zui)終部(bu)件(jian)變形的(de)公差超過 3.5 mm,同時最(zui)終部(bu)件(jian)有效應力超過 1,260 MPa。

博世工(gong)程師采用拓撲(pu)優化法以迭代(dai)的(de)方式進行 Simufact Additive 預測分(fen)(fen)析(情(qing)況 2),這次他(ta)們(men)將(jiang)(jiang)以前的(de)兩(liang)部分(fen)(fen)夾具(ju)整合到(dao)一個部件中,并將(jiang)(jiang)組件的(de)總重量減輕了 70%(圖 3)。

在情況 2 中進行了(le)一次預補(bu)償,通過(guo)在整(zheng)個仿真過(guo)程中確保(bao) 1399°C 的更(geng)均勻金(jin)屬顆(ke)粒(li)熔化溫度(du)以(yi)避免熱應力問題,此時(shi) Simufact Additive 預測的形狀變(bian)形偏差減少了(le) 70%,達到 1.067 mm。

增材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)部件內(nei)的有效金屬最大應(ying)力保持(chi)在 1260MPa 的屈服強度(du)極(ji)限以下。對增材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)制(zhi)(zhi)作(zuo)工藝(yi)進行優(you)化時,采用(yong)了 Simufact Additive 預補償法,該(gai)方法旨在使部件的幾(ji)何形狀不超過容許(xu)的變形公(gong)差范圍。此外,還針對制(zhi)(zhi)作(zuo)過程(例如支撐結(jie)構優(you)化)和后處理(li)(例如切(qie)割策(ce)略、支撐移(yi)除策(ce)略)采用(yong)了 Simufact Additive 優(you)化方法,以改進這一制(zhi)(zhi)造(zao)工藝(yi)。

在(zai)本(ben)研(yan)究中,通(tong)過將(jiang)拓撲優化方法(fa)應用(yong)到 Simufact Additive 預測之中,博世工(gong)程(cheng)師能夠重(zhong)新設計 IRIS 工(gong)裝(zhuang)部件(jian),設法(fa)開發出(chu)重(zhong)量(liang)更輕(qing)(qing)且具有足夠剛(gang)度(du)的(de)單個部件(jian),降低(di)了材(cai)料用(yong)量(liang)及增材(cai)制造功耗,最終節約了工(gong)藝成(cheng)本(ben)(并減(jian)輕(qing)(qing)質(zhi)量(liang))——見圖 3。


總結
博世(shi)印度公司采用 Simufact Additive 實現了(le)以無工(gong)裝的(de)增(zeng)材(cai)制造(zao)方(fang)式生(sheng)產(chan)電(dian)機 IRIS 夾具工(gong)裝,取代了(le)昂貴的(de)小批量工(gong)裝生(sheng)產(chan)(鑄造(zao))。通過重新設(she)計和拓撲(pu)優化,博世(shi)工(gong)程師設(she)法(fa)將(jiang)過去兩部(bu)分鑄件(jian)的(de)功能整合到(dao)具有(you)相似機械特性的(de)單(dan)個增(zeng)材(cai)制造(zao)金(jin)屬部(bu)件(jian)中(zhong),同(tong)時(shi)將(jiang)部(bu)件(jian)的(de)重量減輕 70%。因此,得益于采用 Simufact Additive 進行增(zeng)材(cai)制造(zao)工(gong)藝仿真,博世(shi)工(gong)程師不僅克服了(le)增(zeng)材(cai)制造(zao)中(zhong)存在的(de)問題(變形(xing)、殘余應力(li)),而且(qie)建立起“一次(ci)成功”的(de)全(quan)新制造(zao)工(gong)藝。


客戶簡介:
羅伯(bo)特博世(shi)(shi)工(gong)程與(yu)(yu)商業(ye)解(jie)決(jue)方案私人有限公(gong)(gong)司(si)是 Robert Bosch GmbH 的全資子公(gong)(gong)司(si),后者是全球(qiu)領先的一級汽車(che)技術與(yu)(yu)服務(wu)供(gong)應(ying)商之(zhi)一,擁有 400,000 名員工(gong),年收入達 1000 億美元。博世(shi)(shi)印(yin)度公(gong)(gong)司(si)提供(gong)端到(dao)端的工(gong)程、IT 及(ji)業(ye)務(wu)解(jie)決(jue)方案,員工(gong)超過(guo)19,000 名;擁有博世(shi)(shi)德國(guo)公(gong)(gong)司(si)以外最大的軟件開(kai)發中心,技術力量遍布全球(qiu),其中包括(kuo)美國(guo)、歐洲及(ji)亞太地區。

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