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      Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）與輕量化和靈活性相結(jié)合
    

     
     利希騰費爾斯（德國），2016 年 6月 27 日——現(xiàn)在的制造商們需要將越來越多的驅(qū)動概念整合到車輛結(jié)構(gòu)中去。未來的車身，尤其是在各種小批量車型的替代驅(qū)動系統(tǒng)方面，不僅需要更輕量，而且要求設(shè)計上更需具備極高的靈活性。可想而知，其結(jié)果便會出現(xiàn)越來越多的車輛衍生品，而這些衍生品則需要具備自我調(diào)整能力和制造經(jīng)濟(jì)性的車身設(shè)計。對此，在可預(yù)見的未來，增材制造技術(shù)可能會開創(chuàng)一條全新的可行道路。

     EDAG 的概念車“Light Cocoon”是一款緊湊型運動車，該車具有仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計和增材制造的車輛結(jié)構(gòu)，車表覆蓋著一層由耐氣候材料構(gòu)成的外表皮。EDAG 曾在 2015 年 3 月的日內(nèi)瓦國際車展和 2015 年 9 月的法蘭克福車展上展出了該 Light Cocoon概念車。“EDAG Light Cocoon”打破了車輛設(shè)計的固有范式，采用仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計，并將其轉(zhuǎn)化成輕量化的車身結(jié)構(gòu)，而且值得一提的是，該車身結(jié)構(gòu)采用增材制造技術(shù)打造，是一輛體現(xiàn)增材制造技術(shù)潛力的概念車。

圖 1：EDAG 在 2015 年 3 月的日內(nèi)瓦國際車展和 2015 年 9 月的法蘭克福車展上展出的概念車“EDAG Light Cocoon”，是具有仿生優(yōu)化設(shè)計和增材制造車輛結(jié)構(gòu)的緊湊型運動車。[圖片來源：EDAG Engineering GmbH]

       NextGen Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）與輕量化和靈活性相結(jié)合的技術(shù)范例

  
      在一個聯(lián)合項目中，EDAG Engineering GmbH（德國威斯巴登）、Laser Zentrum Nord GmbH（德國漢堡）、Concept Laser GmbH（德國利希騰費爾斯）和 BLM Group（意大利坎圖）通過仿生優(yōu)化、混合制造而成的　Spaceframe（空間架構(gòu)），為如何才能將需要靈活制造的車身設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實展示出了新的前景。該技術(shù)將增材制造的車身節(jié)點與智能加工的型材相結(jié)合。在增材制造技術(shù)的幫助下，節(jié)點的設(shè)計可以具有很高的靈活性和多功能性，這樣就可以在無需額外工具和啟動成本的情況下，“按需”生產(chǎn)不同車型。連接元件使用鋼制型材。

 
圖2：NextGen Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）技術(shù)范例可以對經(jīng)過功能整合和仿生優(yōu)化的車輛輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活地制造：關(guān)于如何才能將可變且極其靈活的、適用于根據(jù)負(fù)載級別設(shè)計的車身的生產(chǎn)理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實這個問題，經(jīng)過仿生優(yōu)化、采用生成式混合制造方法制造的 Spaceframe（空間架構(gòu)）設(shè)計為其展示出了新的前景。[圖片來源：EDAG Engineering GmbH]

   
        NextGen Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）詳情

      NextGen Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）由增材制造的 3D 節(jié)點和智能加工的鋼制型材組合而成。節(jié)點可以在現(xiàn)場根據(jù)不同的車型采用“Just in Sequence”（JIS，準(zhǔn)時化順序供應(yīng)）方式制造。重點是將單個部件接合成混合結(jié)構(gòu)，以便制造出經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)，但這一點目前尚無法實現(xiàn)。

      連接時采用的是焊縫細(xì)小、熱輸入低的激光焊接法。其幾何基礎(chǔ)是，需要將型材完全套入其中，這一點可以通過對型材進(jìn)行 3D 測量并按需進(jìn)行增材制造來實現(xiàn)。這種連接方式可以在對部件進(jìn)行良好預(yù)定位的同時，在較大連接長度上實現(xiàn)整圈焊接。型材將自動通過節(jié)點進(jìn)行對準(zhǔn)和固定。使用盤形激光器和機(jī)器人引導(dǎo)的光學(xué)元件。此外，用于制造型材和節(jié)點的激光技術(shù)可以在裝配過程中實現(xiàn)高度自動化。這種設(shè)計在成本結(jié)構(gòu)和節(jié)省時間方面提供了巨大潛力。

      增材制造的節(jié)點可以根據(jù)不同負(fù)載級別進(jìn)行調(diào)整，例如在負(fù)載要求較高時可增添加固元件。這樣，每一款車型都能實現(xiàn)重量和功能優(yōu)化。

      在本案中，EDAG Engineering GmbH 負(fù)責(zé)設(shè)計和優(yōu)化 Spaceframe（空間架構(gòu)），Laser Zentrum Nord GmbH 負(fù)責(zé)激光焊接，BLM Group 負(fù)責(zé) 3D 彎曲和激光切割，而 Concept Laser GmbH 則負(fù)責(zé)節(jié)點的增材制造。只有合作伙伴之間的跨學(xué)科合作和各個技術(shù)專家的高超能力才能確保這個項目成功變?yōu)楝F(xiàn)實。 
NextGen Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）節(jié)點的增材制造

      Concept Laser 的 LaserCUSING® 工藝可直接根據(jù) 3D-CAD 文件逐層生成部件。通過該方法無需使用刀具即可生產(chǎn)出具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的部件。它可以制造出使用傳統(tǒng)制造工藝極難或根本無法制造的部件。本設(shè)計中的節(jié)點均無法使用傳統(tǒng)的鑄鋼工藝制造。為了確保結(jié)構(gòu)無缺陷，需要在與構(gòu)造平臺夾角小于45°的平面上設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)除了具備單純的支撐功能外，主要還用于承受內(nèi)部應(yīng)力并防止部件翹曲。因為節(jié)點的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以良好的支撐準(zhǔn)備是成功生產(chǎn)的基礎(chǔ)。完成支撐準(zhǔn)備之后，將通過虛擬形式把部件切割成單層。在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LaserCUSING 設(shè)備上之后，將分配相應(yīng)的過程參數(shù)，然后啟動構(gòu)造過程。這些節(jié)點均在 Concept Laser 的 X line 1000R 設(shè)備上制造而成，該設(shè)備具有適用于此項目的構(gòu)造空間 (630 x 400 x 500 mm3) 并配有 1 kW 的激光器。在基于粉末床的金屬激光熔融領(lǐng)域，只有同樣來自 Concept Laser 的全新 X line 2000R 才能提供更大的構(gòu)造空間 (800 x 400 x 500 mm3)，且該設(shè)備還配備了 2 x 1kW 激光器。

圖3：X line 1000R 的后繼型號，Concept Laser 的 X line 2000R（構(gòu)造空間：800 x 400 x 500 mm3），配備了兩臺 1kW 激光器。[圖片來源：Concept Laser GmbH]

       結(jié)論：采用激光技術(shù)的數(shù)字化 3D 制造戰(zhàn)略

   
      Spaceframe（空間架構(gòu)）設(shè)計結(jié)合了 3D 打印的優(yōu)勢，例如靈活性和輕量構(gòu)造潛力，以及成熟的型材構(gòu)造經(jīng)濟(jì)性。在這兩種技術(shù)中，激光都處于核心地位。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的節(jié)點實現(xiàn)了最大程度的輕量化和功能的高度整合。無論是節(jié)點還是型材，都可以在不增加成本的同時，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和負(fù)載要求進(jìn)行調(diào)整。因此，它們提供了根據(jù)負(fù)載級別對單個零件進(jìn)行設(shè)計的可能。由此可見，主導(dǎo)思想是要根據(jù)車型的要求優(yōu)化進(jìn)行節(jié)點-型材構(gòu)造設(shè)計。結(jié)果就是得到了經(jīng)過負(fù)載路徑優(yōu)化的 Spaceframe（空間架構(gòu)）結(jié)構(gòu)。通過采用這種設(shè)備和刀具使用較少的方法，將來所有車身類型都將能夠經(jīng)濟(jì)地制造并具有最高靈活性。

      關(guān)于Concept Laser

      Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國）的獨立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING® 技術(shù)從事跨行業(yè)的經(jīng)營活動。
 

      LaserCUSING® 這個詞由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英語 FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一種技術(shù)：該熔融方法是采用3D CAD 數(shù)據(jù)逐層生成部件的熔融技術(shù)。在這過程中，粉末狀的金屬通過高能光纖激光器發(fā)生局部熔化。冷卻后，材料凝固。反射鏡偏轉(zhuǎn)裝置（掃描器）通過對激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)制造出部件輪廓。通過降低構(gòu)造空間底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐層（層厚 15 – 500 μm）構(gòu)造出部件。該方法可在不使用模具的情況下制造出復(fù)雜幾何形狀的部件，而這是常規(guī)制造方法很難或根本無法做到的。