客机靠背座椅框架是为飞机配置独特设计的一个结构零件。通常，是由单个坯料制造成的。对于该框架，是否还有降成本的更好的生产方法？
3D设计和工程软件的领军者Autodesk公司，一直在采用生成设计软件开发不同的设计方法，这个设计方法基于特殊判据如重量和强度，自动进行设计选项，以完善和加快设计过程。该公司的研究实现了一个独特的格子状结构（lattice-like structure）的设计，他们联系了位于密歇根州阿尔蒙特（Almont, Michigan）的阿里斯托铸造公司（Aristo Cast），一家有丰富原型样件制造和镁合金铸造经验的精密铸件生产商，以帮助其实现用于飞机靠背椅框架的设计。
通过合作和合理可靠的铸造工艺，阿里斯托铸造公司4周后交付了最终的铸件，这个铸件比市场上其他的轻量化靠背椅框架重量减轻一半以上（图1）。由于对最终用户有益，及对其他应用领域铸件轻量化设计的启示，这件飞机靠背椅框架已经被美国铸造协会、《金属铸件设计和采购》杂志命名为2017年年度铸件奖。

                                                  图1  获奖的飞机靠背椅框架
 
采用生成设计模式（generatively designed model），Autodesk寻求去除尽可能多的材料，同时不影响所需的强度要求。新的座椅框架设计只在需要的地方安置材料，质量轻得多，形状也非常符合精密铸造的要求。
“这件铸件设计显示，改成格子状，可以在有需要的地方增加厚度以提高强度，”一位铸件竞赛评委注意到。“这个概念可以用于强度不是关键的铸件的连接部分，可实现减轻重量。”
Autodesk起初是为3D直接打印金属零件开发生成设计软件（generative design software）。但是，金属打印受尺寸限制，设计团队开始考虑如何使用该模式用于其他制造方法。金属铸造是很自然的选择，因为增材技术可以用于制造铸造模样和工装。
为获得飞机和汽车客户的兴趣，Autodesk寻求制造生成设计的格子状结构零件的样件，并计算潜在的成本，于是找到了阿里斯托铸造公司（Aristo Cast）。
“一年来我一直在研究铸造，很清楚阿里斯托铸造具有非常独特的技术，具有我们感兴趣的生产复杂铸件的经验，” Autodesk的首席研究员Andreas Bastian说道。“他们制造镁合金件，我们对此非常感兴趣，因为镁比铝轻35%，而且不能直接打印，所以这就是提高设计水平的价值。”
阿里斯托铸造是世界上不到10个正常生产镁合金精密铸造件的厂家之一。虽然，铝合金格子状结构也能减轻重量，降低成本，但是镁合金件能成倍地、更显著地节省成本。
“Autodesk曾寻求样件，我们这些年来学到了很多对比铝合金如何给镁合金开浇口的知识，”阿里斯托铸造公司副总裁Paul Leonard说。“这些座椅框架件的浇口马上就起到很好的作用。”
传统上，飞机座椅框架由铝合金，采用不同的技术制造。
“当前市场上最轻的是从固体坯料通过数控机床加工的，这意味着浪费了许多材料，” Harris说道。“有一些是铸造的或者是装配件，成本低，但是很重。”
对于直接金属打印的工作箱来说，座椅框架的尺寸太大了。但应用3D打印为金属铸造件打印模样可行，所以这是一个机会，看一看这个方法如何工作，如何为金属铸造3D打印模样。阿里斯托铸造公司有两台3D打印设备，每一台的打印工作箱都足够大，一次可以打印30个座椅框架模样。所以两台一次可以打印60个模样。这样，阿里斯托铸造公司不仅可以提供样件，也可以批量生产。
“精密铸造正是我们所寻找的最好的技术，能够实现设计所需的高性能和轻量化，同时使用了我们需要的材料，” Autodesk数字制造集团（DMG Group）设计顾问Andy Harris说。“当需要几千个零件时，能够提供生产批量，并且能使增材制造的强项应用到精密铸造。”
设计好座椅框架后，Autodesk提供文件给阿里斯托铸造，阿里斯托对设计做了少许调整以优化精密铸造工艺。“起始的设计有些地方非常薄，我们无法打印模样，” Leonard说。“所以我们必须增加某些地方的厚度。”
做了少许调整后，阿里斯托成功地铸造了这种独特的座椅框架。
经Autodesk计算，镁合金座椅框架减重将为一架615座空客380飞机每年节省燃油63吨。基于当前喷气飞机燃油的成本，每架飞机年节省可达103 324美元，服役20年，每架飞机将节省超过200万美元。100架飞机的机队每年燃油节省将超过2亿600万美元。
“围绕着那些采用金属打印的高性能的金属结构件，有大量令人激动的事情，但是我们看到，3D打印技术用于制造模样和砂型，铸造业具有令人感兴趣的市场机会，”Bastian说道。“这些显示，通过采用金属铸造技术，可以实现与直接金属打印同样的价值。铸造业是令人兴奋的先进设计技术的投资点，能够很快实现巨大的价值。”
来源：《铸造》201707期