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农机零部件制造走向3D——增材制造助您“智”取未来

来源:德国农业协会 时间:2021-12-01

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随着3D打印(即增材制造)技术越来越多地应用于以前占主导地位的铣削或铸造领域,增材制造目前正在给机械和生产工程行业带来革命性变化。2022年2月27日至3月5日,汉诺威国际农机展 AGRITECHNICA 系统与零部件专题将重点展示3D打印在非公路领域可充分发挥的优势,以及它在售后服务方面的最新应用。如何将新技术整合到您的业务模式中,如何利用3D打印技术扩展您的产品组合,AGRITECHNICA 系统与零部件专题为您呈现的远不止这些。


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几年前听起来完全是未来主义的东西,现在早已成为非公路领域的一项关键技术——增材制造。虽然3D打印工艺在一段时间内用于制造车辆零部件过于耗时且成本昂贵,但包括卡特彼勒(Caterpillar)、约翰迪尔(John Deere)和小松(Komatsu)在内的全球领先的建筑和农业机械制造商,都在努力使该技术运用至工业化批量生产中。首先,他们使用该工艺进行快速模型和工具的制造。3D打印砂芯是制造高质量铸铁的关键,这些铸铁可制成桥壳或轮毂等零部件。其次,这些公司已经在其供应链中纳入了第一批打印的组件。这使他们能够以极小的数量快速生产高度复杂的组件,同时确保最大可能的灵活性和成本效益。


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是时候重新考虑零部件的供应问题了


在三维打印中,组件是基于数字模型逐一将材料分层以创建物理产品。该材料只用在需要的地方,从而能够实现自然启发的仿生几何形状,这种几何形状几乎很难采用铣削、车削或铸造等传统“减材制造”加工方法来实现。这使得制造技术对那些依赖轻质部件的行业特别具有吸引力。因此,设计师的目标是利用这些新的设计自由度来优化安装在移动式作业机械中的部件的功能。


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在实现这一目标的过程中,增材制造正越来越多地满足及时生产部件和定制这些部件的需求,并且无需使用工具,可按需生产,无最低采购量的限制。基于存储的CAD数据,配件和改装零件在很长一段时间后还可以轻松进行重印和供应,因此不再需要资源密集型的仓储物流,还能以高效低成本的方式维护和管理零配件。这也使售后服务前景变得趣味盎然,其中一些已经在今天变为现实。例如,机器制造商可以根据传感器数据判断发动机的状态,甚至在作业现场零部件发生故障之前就按需生产配件—这完全符合预测性维护的要求。因此,即使对于特殊的零部件,也可以进行低成本的预测性维护。



新材料,新性能


虽然最初的试验阶段是使用塑料材质,但3D金属打印技术已经取得了新的进展。新材料的高强度特性使得运用铝或钢生产高质量的承重部件成为可能。使用这些材料制造的耐腐蚀零部件能够长期使用,且可以承受非公路领域的恶劣条件。例如,选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)的用途包括:传动系统中精确制造的金属部件、发动机本身以及冷却装置、变速器、车桥或底盘等。


一段时间以来,通过“熔丝制造”(FFF),人们熟悉的粉末材料已经扩展到用于制造不锈钢部件的创新金属丝。这个过程中使用的丝材由金属粉末和塑料混合物组成,在150~200摄氏度下熔化。经过脱脂和烧结,物体可以像传统不锈钢那样被焊接、抛光或涂覆。虽然以这种方式制造的部件相对较小,且产量不高,但熔融层工艺越来越多地扩展到金属,可以保证包括小系列产品在内的单个部件的灵活生产。


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传统与创新的完美结合


当传统方法能够运用于低成本高效率地大批量生产时,技术总是会遇到瓶颈。因此,许多研究都集中在增材制造与数控机床相结合的混合工艺上,目的就是克服增材制造的局限性,使其能够运用于更多未知的领域。


3D打印与机械加工、烧结或注塑等技术的智能结合,旨在提供创新的方法途径——这也是“KitkAdd”项目所追求的目标,来自帕德博恩大学(Paderborn)与卡尔斯鲁厄理工学院(KIT) 的科学家和工业公司一起进行了这项研究。作为可行性研究的一部分,约翰迪尔(John Deere)公司分析了行星齿轮变速箱的生产,该变速箱具有改进的润滑剂供应以及用于分散式燃油冷却的热交换器。该项目已于2020年3月圆满结束,仅历时三年多的时间,就为这些部件建立了工业生产概念,与纯粹的金属添加工艺链相比,能够实现更具成本效益的制造。



数字孪生体与物理实体的结合


为了能够充分挖掘增材制造的潜力,组件的开发采用了最新的设计工程方法。制造低变形部件所面临的最大挑战是遵循所需的公差和尺寸精度。数字孪生概念有助于识别增材制造部件中的问题区域,避免报废,并对设计更改做出灵活响应。它是通过在计算机上模拟现实场景中的制造情形来实现。


德国弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)在工业数学方面的探索更为深远——使用 "硬件在环"测试,可以在软件程序中模拟和测试整个移动工作机器。该测试台使制造商能够在开发的早期阶段测试、改进和优化机器的实用性。Christian Salzig 博士解释说:"我们能够测试所有类型的建筑机械,例如不同类型的起重机"。所有的功能和压力测试都可以在概念阶段执行,而不仅仅是在物理原型制造出来之后。这些测试向设计工程师展示了起重机的数字孪生体变得不稳定或倾覆时的倾斜角度,技术故障如电缆在连接处断裂或起重元件的液压系统失去压力会出现何种情况都可以被模拟。Salzig 博士还指出:"随着每一代新产品的推出,制造商都希望能更加节省材料、降低能耗、整合新功能,让机器更小巧灵活。这些正是 "硬件在环 "所能实现的改进。



AGRITECHNICA 2022

世界顶级农机展


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2022年2月27-3月5日

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