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農業(yè)機械制造商Amazone希望使農業(yè)機械設備變得更加穩定、耐用，并實(shí)現輕量化。在進(jìn)行新一代產(chǎn)品的研發(fā)和探索時(shí)，Amazone 采用了拓撲優(yōu)化設計和3DP 3D打印技術(shù)制造的砂模、砂芯來(lái)制造某款農業(yè)機械的大型機架鑄件。本期，3D科學(xué)谷就與谷友通過(guò)Amazone 的農機機架鑄件制造案例來(lái)了解一下3DP 3D打印技術(shù)在大型輕量化鑄件快速制造中體現出的價(jià)值。
Amazone 是來(lái)自Hasbergen的家族企業(yè)，位于德國 Osnabrück附近。該公司生產(chǎn)的其中一類(lèi)產(chǎn)品是農業(yè)機械上帶機架的緊湊型圓盤(pán)耙，這是一種固定在拖拉機上的裝置，用于淺層和強化土壤種植，工作深度可達15厘米。機架的作用是將設備連接到軸上，使圓盤(pán)耙設備能夠被拖動(dòng)。
Amazone使用的上一代農業(yè)機械機架由幾個(gè)部分焊接而成，重量為245千克，焊縫長(cháng)度為16.5米，其制造過(guò)程繁瑣。為了降低成本，使農業(yè)機械設備更加穩定和輕巧，Amazone決定使用輕量化的鑄件來(lái)替代上一代機架。
農機機架的設計優(yōu)化過(guò)程（右圖為拓撲優(yōu)化的輕量化設計方案）Amazone在設計新一代農業(yè)機械機架時(shí)，使用了Altair的拓撲優(yōu)化軟件Inspire，設計出符合力學(xué)性能要求，并適合鑄造的機架。拓撲優(yōu)化技術(shù)使材料分布在零件合理的部位，使機架的鑄件相比上一代底盤(pán)重量減輕了45千克。在開(kāi)始進(jìn)行鑄件制造之前，金屬的鑄造過(guò)程還經(jīng)過(guò)了Inspire軟件的仿真模擬，這一過(guò)程能夠降低實(shí)際鑄造中產(chǎn)生氣孔等缺陷的風(fēng)險，保證鑄件質(zhì)量。
Amazone公司表示，新一代機架的設計方案使機架的使用壽命提高2.5倍，相比上一代機架重量降低18%。3DP 3D打印技術(shù)則在實(shí)現這種復雜輕量化結構和鑄件的快速制造方面發(fā)揮了重要作用。
實(shí)現復雜結構
Amazone 公司使用了voxeljet 公司3DP 3D打印設備VX4000 制造機架鑄造用的砂模。在打印之初，voxeljet將CAD文件轉換為適合3D打印的格式，隨后操作人員將數據導入系統中。該機架的鑄造砂模將被分為4個(gè)部分進(jìn)行打印。
砂模打印完成之后，進(jìn)行清潔后處理和檢測。圖為4個(gè)砂模中的一個(gè)。打印開(kāi)始，刮板鋪設粉床（石英砂），打印頭以300dpi的分辨率進(jìn)行工作并按照數模幾何結構有選擇性的噴射粘結劑。每打印一層，成型平臺下降一個(gè)層厚，直到零件打印完成。 voxeljet的VX4000打印機的成型尺寸可達4 x 2 x 1米。
4個(gè)3D打印砂模被組裝在一起打印完成之后，操作人員從設備中取出砂模，并進(jìn)行后處理和組裝，處理完成的3D打印砂?？梢灾苯佑糜跈C架的鑄造。
鑄造過(guò)程：在砂模內部，液態(tài)金屬最終固化鑄造廠(chǎng)為鑄造模具進(jìn)行涂層，從而保護砂模不受到熱應力的影響。
鑄造廠(chǎng)的工作人員將鑄件從模具中取出，并經(jīng)過(guò)后續機械加工后，機架鑄件制造完成。
節省時(shí)間和成本
準備交付的機架鑄件
通常為這樣一個(gè)復雜的鑄件制造鑄造用的砂模是非常耗時(shí)、繁瑣的過(guò)程，因此在進(jìn)行鑄件設計時(shí)， 設計師就考慮使用voxeljet 的VX4000 3D打印設備直接進(jìn)行鑄件砂模的快速制造。這一制造工藝為鑄件制造節省了時(shí)間。
此外，由于3D打印技術(shù)對于打印對象結構的復雜性不敏感，在制造復雜砂模時(shí)，不會(huì )因為產(chǎn)品的復雜性的上升而使成本顯著(zhù)上升。對于用傳統制造方式制造難度非常高的幾何結構，3D打印設備甚至可以降低制造成本。
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