轻量化设计的新途径


客 机座椅框架是为每架飞机特别设计的结构部件。传统上,它们是由整块坯料加工而成。但是是否有更好的制造方法可以降低成本呢?

Autodesk公司是三维设计和工程软件领域的领导者,一直致力于开发一种不同的设计方法,即使用生成性设计软件,根据特定的标准(如重量和强度)自动设计选项,以完善和加快设计进程。这家公司研究开发出独特的格状结构,他们联系了密歇根州阿尔蒙特市的Aristo铸造公司,一家在成型和镁合金领域富有经验的精密铸造企业,帮助开展航空座椅框架设计。

通过合作以及适用的铸造工艺,Aristo铸造公司用4周时间交付最终铸件,相比市场上的其他轻量化框架,至少减重一半以上。由于给最终用户创造利益,以及铸件轻量化在其他领域应用的潜在增长,航空座椅框架被美国铸造协会和《铸件设计与采购》杂志评为年度最佳铸件。

使用生成性设计模型,Autodesk公司试图在不影响强度要求的同时尽可能的减少材料使用。最终得到仅使用必须材料的更轻的座椅框架。新的外形非常适合精密铸造。

“铸件的设计展示了在需要时改变框架厚度以增加强度的能力。”铸件评比中一位评审人提到,“对强度要求不那么严格时,可以采用这个方法,把铸件的某些部分连接在一起以减轻重量。”

Autodesk公司最初开发3D打印直接生成金属零件的生成性设计软件。但是金属打印受到尺寸的限制,研究小组开始考虑如何将该模型用于其他制造方法。铸造是自然的选择,因为增材制造技术可以用来制造铸型和模具。

为了引起航空航天和汽车行业客户的兴趣,Autodesk公司努力寻找能够应用生成性设计生产零件样品的企业,设计框架结构并计算潜在节省的材料,最终找到Aristo铸造公司。

“过去的一年多,我一直在研究铸件结构,显然,Aristo铸造公司的作业非常独特,而且有让我们满意的生产复杂铸件的经验,”Autodesk公司首席研究科学家安德烈亚斯·巴斯蒂安说,“他们有镁合金的生产经验,镁比铝轻约35%,而且目前还不能打印,具有附加值,我们对此非常感兴趣。”

Aristo铸造公司是世界上不到10家从事镁合金精密铸造的公司之一。虽然铝合金格状结构件也能达到减重和降低成本的目的,但使用镁合金,重量和成本的降低会实现倍增。

“Autodesk公司正在寻找样件,我们正好在镁合金和铝合金铸造方面有多年的经验。”Aristo铸造公司副总裁保罗·伦纳德说,“于是,公司马上开始座椅框架的铸造。”

传统上,航空航天飞机座椅框架采用几种不同的工艺,由铝合金制造。

“目前市场上最轻的座椅框架是数控机床加工实心坯料制成的,这意味着大量材料的浪费。”哈里斯说,“而有些是由组装而成的,成本较低,但重量较大。”

座椅框架的尺寸对金属打印设备而言太大,所以这是个尝试3D打印铸型的机会。Aristo铸造公司有两台3D打印设备,每台设备的尺寸足够一次性打印30个座椅框架铸型。同时可打印60个铸型,Aristo铸造公司不仅能够提供样品,而且可以量产。

“精密铸造工艺不仅采用了当前最好的技术,而且产品具备我们正在寻找的性能好、重量轻的特点,并且节省使用材料,”Autodesk公司设计管理团队的设计顾问安迪·哈里斯说,“它能够满足几千个零件生产规模的需要,并且可以将增材制造技术的优势应用于精密铸造。”

座椅框架的设计完成后,Autodesk公司把方案提交给Aristo铸造公司,Aristo铸造公司对方案做了一些调整,优化了精密铸造的工艺过程:“最初的设计方案某些地方太薄,无法打印出铸型。”伦纳德说,“所以我们必须增加这些部分的厚度。”
轻微的调整后,Aristo铸造公司成功地铸造出独特的座椅框架。

据Autodesk公司测算,对于有615个座椅的空客A380客机,使用镁合金框架减重后每年将节省63吨的燃油。根据目前喷气式飞机燃油的成本,每架飞机平均年节省费用为103324美元,每架飞机在使用期限(按20年计算)内将节约超过200万美元。拥有100架飞机的机队每年可节省燃油费用超过2亿600万美元。

“尽管有大量的令人兴奋的金属打印高性能结构件的案例,但我们注意到铸造行业采用3D打印技术生产铸型和模具有巨大的商机,”巴斯蒂安说,“这表明除了直接金属打印外,我们可以通过像铸造一样容易理解和熟悉的技术实现与金属打印同等的价值,而且可以使用多种材料的组合,在许多情况下这些材料已经成功应用于航空航天。目前,铸造行业正处于一个令人振奋的发展时期,可以利用先进的设计工艺快速产生巨大的价值。■