农业机械制造商Amazone希望使农业机械设备变得更加稳定、耐用，并实现轻量化。在进行新一代产品的研发和探索时，Amazone 采用了拓扑优化设计和3DP 3D打印技术制造的砂模、砂芯来制造某款农业机械的大型机架铸件。本期，3D科学谷就与谷友通过Amazone 的农机机架铸件制造案例来了解一下3DP 3D打印技术在大型轻量化铸件快速制造中体现出的价值。
Amazone 是来自Hasbergen的家族企业，位于德国 Osnabrück附近。该公司生产的其中一类产品是农业机械上带机架的紧凑型圆盘耙，这是一种固定在拖拉机上的装置，用于浅层和强化土壤种植，工作深度可达15厘米。机架的作用是将设备连接到轴上，使圆盘耙设备能够被拖动。
Amazone使用的上一代农业机械机架由几个部分焊接而成，重量为245千克，焊缝长度为16.5米，其制造过程繁琐。为了降低成本，使农业机械设备更加稳定和轻巧，Amazone决定使用轻量化的铸件来替代上一代机架。
农机机架的设计优化过程（右图为拓扑优化的轻量化设计方案）
Amazone在设计新一代农业机械机架时，使用了Altair的拓扑优化软件Inspire，设计出符合力学性能要求，并适合铸造的机架。拓扑优化技术使材料分布在零件合理的部位，使机架的铸件相比上一代底盘重量减轻了45千克。在开始进行铸件制造之前，金属的铸造过程还经过了Inspire软件的仿真模拟，这一过程能够降低实际铸造中产生气孔等缺陷的风险，保证铸件质量。
Amazone公司表示，新一代机架的设计方案使机架的使用寿命提高2.5倍，相比上一代机架重量降低18%。3DP 3D打印技术则在实现这种复杂轻量化结构和铸件的快速制造方面发挥了重要作用。
实现复杂结构
Amazone 公司使用了voxeljet 公司3DP 3D打印设备VX4000 制造机架铸造用的砂模。在打印之初，voxeljet将CAD文件转换为适合3D打印的格式，随后操作人员将数据导入系统中。该机架的铸造砂模将被分为4个部分进行打印。
砂模打印完成之后，进行清洁后处理和检测。图为4个砂模中的一个。
打印开始，刮板铺设粉床（石英砂），打印头以300dpi的分辨率进行工作并按照数模几何结构有选择性的喷射粘结剂。每打印一层，成型平台下降一个层厚，直到零件打印完成。 voxeljet的VX4000打印机的成型尺寸可达4 x 2 x 1米。
4个3D打印砂模被组装在一起
打印完成之后，操作人员从设备中取出砂模，并进行后处理和组装，处理完成的3D打印砂模可以直接用于机架的铸造。
铸造过程：在砂模内部，液态金属最终固化
铸造厂为铸造模具进行涂层，从而保护砂模不受到热应力的影响。
铸造厂的工作人员将铸件从模具中取出，并经过后续机械加工后，机架铸件制造完成。
节省时间和成本
准备交付的机架铸件
通常为这样一个复杂的铸件制造铸造用的砂模是非常耗时、繁琐的过程，因此在进行铸件设计时， 设计师就考虑使用voxeljet 的VX4000 3D打印设备直接进行铸件砂模的快速制造。这一制造工艺为铸件制造节省了时间。
此外，由于3D打印技术对于打印对象结构的复杂性不敏感，在制造复杂砂模时，不会因为产品的复杂性的上升而使成本显著上升。对于用传统制造方式制造难度非常高的几何结构，3D打印设备甚至可以降低制造成本。
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