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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(fèi)爾斯（德國(guó)），2016 年 6月 27 日——現(xiàn)在的制造商們需要將越來(lái)越多的驅(qū)動(dòng)概念整合到車(chē)輛結(jié)構(gòu)中去。未來(lái)的車(chē)身，尤其是在各種小批量車(chē)型的替代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，不僅需要更輕量，而且要求設(shè)計(jì)上更需具備極高的靈活性。可想而知，其結(jié)果便會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的車(chē)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(chē)身設(shè)計(jì)。對(duì)此，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，增材制造技術(shù)可能會(huì)開(kāi)創(chuàng)一條全新的可行道路。

     EDAG 的概念車(chē)“Light Cocoon”是一款緊湊型運(yùn)動(dòng)車(chē)，該車(chē)具有仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和增材制造的車(chē)輛結(jié)構(gòu)，車(chē)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(guó)際車(chē)展和 2015 年 9 月的法蘭克福車(chē)展上展出了該 Light Cocoon概念車(chē)。“EDAG Light Cocoon”打破了車(chē)輛設(shè)計(jì)的固有范式，采用仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將其轉(zhuǎn)化成輕量化的車(chē)身結(jié)構(gòu)，而且值得一提的是，該車(chē)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(chē)。

圖 1：EDAG 在 2015 年 3 月的日內(nèi)瓦國(guó)際車(chē)展和 2015 年 9 月的法蘭克福車(chē)展上展出的概念車(chē)“EDAG Light Cocoon”，是具有仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)和增材制造車(chē)輛結(jié)構(gòu)的緊湊型運(yùn)動(dòng)車(chē)。[圖片來(lái)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(gè)聯(lián)合項(xiàng)目中，EDAG Engineering GmbH（德國(guó)威斯巴登）、Laser Zentrum Nord GmbH（德國(guó)漢堡）、Concept Laser GmbH（德國(guó)利希騰費(fèi)爾斯）和 BLM Group（意大利坎圖）通過(guò)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(chē)身設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)展示出了新的前景。該技術(shù)將增材制造的車(chē)身節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的設(shè)計(jì)可以具有很高的靈活性和多功能性，這樣就可以在無(wú)需額外工具和啟動(dòng)成本的情況下，“按需”生產(chǎn)不同車(chē)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(duì)經(jīng)過(guò)功能整合和仿生優(yōu)化的車(chē)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(jí)別設(shè)計(jì)的車(chē)身的生產(chǎn)理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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(jì)為其展示出了新的前景。[圖片來(lái)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(diǎn)和智能加工的鋼制型材組合而成。節(jié)點(diǎn)可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同的車(chē)型采用“Just in Sequence”（JIS，準(zhǔn)時(shí)化順序供應(yīng)）方式制造。重點(diǎn)是將單個(gè)部件接合成混合結(jié)構(gòu)，以便制造出經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)，但這一點(diǎn)目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

      連接時(shí)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(diǎn)可以通過(guò)對(duì)型材進(jìn)行 3D 測(cè)量并按需進(jìn)行增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種連接方式可以在對(duì)部件進(jìn)行良好預(yù)定位的同時(shí)，在較大連接長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)整圈焊接。型材將自動(dòng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和固定。使用盤(pán)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(diǎn)的激光技術(shù)可以在裝配過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。這種設(shè)計(jì)在成本結(jié)構(gòu)和節(jié)省時(shí)間方面提供了巨大潛力。

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

      在本案中，EDAG Engineering GmbH 負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)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(diǎn)的增材制造。只有合作伙伴之間的跨學(xué)科合作和各個(gè)技術(shù)專(zhuān)家的高超能力才能確保這個(gè)項(xiàng)目成功變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。 
NextGen Spaceframe（次世代空間架構(gòu)）節(jié)點(diǎn)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(guò)該方法無(wú)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(wú)法制造的部件。本設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)均無(wú)法使用傳統(tǒng)的鑄鋼工藝制造。為了確保結(jié)構(gòu)無(wú)缺陷，需要在與構(gòu)造平臺(tái)夾角小于45°的平面上設(shè)計(jì)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?yàn)楣?jié)點(diǎn)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(guò)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(guò)程參數(shù)，然后啟動(dòng)構(gòu)造過(guò)程。這些節(jié)點(diǎn)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(xiàng)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(lái)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(hào)，Concept Laser 的 X line 2000R（構(gòu)造空間：800 x 400 x 500 mm3），配備了兩臺(tái) 1kW 激光器。[圖片來(lái)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(jì)結(jié)合了 3D 打印的優(yōu)勢(shì)，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(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了最大程度的輕量化和功能的高度整合。無(wú)論是節(jié)點(diǎn)還是型材，都可以在不增加成本的同時(shí)，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(jí)別對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)的可能。由此可見(jiàn)，主導(dǎo)思想是要根據(jù)車(chē)型的要求優(yōu)化進(jìn)行節(jié)點(diǎn)-型材構(gòu)造設(shè)計(jì)。結(jié)果就是得到了經(jīng)過(guò)負(fù)載路徑優(yōu)化的 Spaceframe（空間架構(gòu)）結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用這種設(shè)備和刀具使用較少的方法，將來(lái)所有車(chē)身類(lèi)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(lái)自利希滕費(fèi)爾斯（Lichtenfels，德國(guó)）的獨(dú)立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來(lái)，一直都是激光熔融技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新推動(dòng)者，憑借獲得專(zhuān)利的 LaserCUSING® 技術(shù)從事跨行業(yè)的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。
 

      LaserCUSING® 這個(gè)詞由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英語(yǔ) 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(guò)程中，粉末狀的金屬通過(guò)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(guò)對(duì)激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)制造出部件輪廓。通過(guò)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(wú)法做到的。