面臨的挑戰(zhàn)：
博世公司采用 IRIS 夾具工裝（圖 1）來制造電機(jī)的轉(zhuǎn)子部件。通常每年需要生產(chǎn) 200 套此類 IRIS 工裝，用于組裝各種類型的電機(jī)。直到最近，IRIS 工裝還是采用傳統(tǒng)的兩部分鑄造工藝來制造的。

為節(jié)約加工成本和時(shí)間，提出了采用增材制造方法用單個(gè)部件來生產(chǎn)夾具工裝的想法，其目的是在不損害部件機(jī)械強(qiáng)度的情況下盡量減輕重量。

來自海克斯康的解決方案：
博世工程師決定使用 MSC 軟件的 Simufact Additive 產(chǎn)品對增材制造（AM）金屬制作工藝及后續(xù)的后處理步驟進(jìn)行建模，這樣在昂貴的增材制造工作開始之前就可以消除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。Simufact Additive 能有效地預(yù)測增材制造過程中殘余應(yīng)力的大小和分布，同時(shí)將工藝類型、制作速度、制作順序、約束量等變量考慮在內(nèi)。在增材制造過程中，劇烈的局部加熱和冷卻通常會在部件中產(chǎn)生不均勻的熱膨脹和收縮，導(dǎo)致熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)殘余應(yīng)力的復(fù)雜分布并使整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生意外變形。

此外，這些殘余應(yīng)力還有可能加速增材制造部件的斷裂和疲勞，并在打印部件的工作期間引起不可預(yù)測的壓曲。因此，在進(jìn)行 3D 打印之前，一定要預(yù)測增材制造工藝的行為并優(yōu)化設(shè)計(jì)/制造參數(shù)。Simufact Additive 能預(yù)測增材制造制作空間內(nèi)多個(gè)組件的影響，通過進(jìn)行靈敏度研究來確定最佳制作方向，減少物理迭代次數(shù)，可縮短增材制造的總時(shí)間，因而具備設(shè)計(jì)生產(chǎn)率高的優(yōu)勢。

對考慮進(jìn)行替換且無預(yù)補(bǔ)償?shù)牟考▓D 2）進(jìn)行了第一次Simufact Additive 預(yù)測分析（情況 1），發(fā)現(xiàn)由于 3D 打印部件局部溫度較高而導(dǎo)致嚴(yán)重的制造問題：如果該部件采用增材制造工藝，最終部件變形的公差超過 3.5 mm，同時(shí)最終部件有效應(yīng)力超過 1,260 MPa。

博世工程師采用拓?fù)鋬?yōu)化法以迭代的方式進(jìn)行 Simufact Additive 預(yù)測分析（情況 2），這次他們將以前的兩部分夾具整合到一個(gè)部件中，并將組件的總重量減輕了 70%（圖 3）。

在情況 2 中進(jìn)行了一次預(yù)補(bǔ)償，通過在整個(gè)仿真過程中確保 1399°C 的更均勻金屬顆粒熔化溫度以避免熱應(yīng)力問題，此時(shí) Simufact Additive 預(yù)測的形狀變形偏差減少了 70%，達(dá)到 1.067 mm。

增材制造部件內(nèi)的有效金屬最大應(yīng)力保持在 1260MPa 的屈服強(qiáng)度極限以下。對增材制造制作工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，采用了 Simufact Additive 預(yù)補(bǔ)償法，該方法旨在使部件的幾何形狀不超過容許的變形公差范圍。此外，還針對制作過程（例如支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化）和后處理（例如切割策略、支撐移除策略）采用了 Simufact Additive 優(yōu)化方法，以改進(jìn)這一制造工藝。

在本研究中，通過將拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用到 Simufact Additive 預(yù)測之中，博世工程師能夠重新設(shè)計(jì) IRIS 工裝部件，設(shè)法開發(fā)出重量更輕且具有足夠剛度的單個(gè)部件，降低了材料用量及增材制造功耗，最終節(jié)約了工藝成本（并減輕質(zhì)量）——見圖 3。


總結(jié)
博世印度公司采用 Simufact Additive 實(shí)現(xiàn)了以無工裝的增材制造方式生產(chǎn)電機(jī) IRIS 夾具工裝，取代了昂貴的小批量工裝生產(chǎn)（鑄造）。通過重新設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化，博世工程師設(shè)法將過去兩部分鑄件的功能整合到具有相似機(jī)械特性的單個(gè)增材制造金屬部件中，同時(shí)將部件的重量減輕 70%。因此，得益于采用 Simufact Additive 進(jìn)行增材制造工藝仿真，博世工程師不僅克服了增材制造中存在的問題（變形、殘余應(yīng)力），而且建立起“一次成功”的全新制造工藝。


客戶簡介：
羅伯特博世工程與商業(yè)解決方案私人有限公司是 Robert Bosch GmbH 的全資子公司，后者是全球領(lǐng)先的一級汽車技術(shù)與服務(wù)供應(yīng)商之一，擁有 400,000 名員工，年收入達(dá) 1000 億美元。博世印度公司提供端到端的工程、IT 及業(yè)務(wù)解決方案，員工超過19,000 名；擁有博世德國公司以外最大的軟件開發(fā)中心，技術(shù)力量遍布全球，其中包括美國、歐洲及亞太地區(qū)。

返回