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飞机靠背椅框架铸件获得 美国铸造协会2017年年度铸件奖

添加时间:2017/07/14
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 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
 

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