设计仿真 | MSC Apex Simufact实现铁路铰链轻量化与高精度增材制造
在一项联合创新项目中，德国铁路（Deutsche Bahn）、SLM Solutions公司联合海克斯康对货运列车铰链的传统设计进行了优化，并借助增材制造技术实现了重新开发。得益于海克斯康旗下的MSC Apex仿真平台生成式设计带来的重量优化成果，这些部件能够通过3D打印实现更具成本效益的生产。
面临挑战
货运列车等设备资产寿命长达数十年，导致备件难以长期储备。设备故障时，备件采购成为运营商的严峻挑战：运营商与制造商常需在缺乏原始生产工具甚至设计数据的情况下，设法制造单个替换部件以维持运行。
传统制造工艺（如模具制作）生产老旧零件周期长、成本高，且依赖频繁的设备调整。增材制造（3D打印）则提供了突破性方案——无需模具即可灵活快速生产备件，这对紧急抢修至关重要。然而，现有零件设计往往不适配增材制造，可能因需熔化大量材料而增加生产时间和成本（主要受材料与设备运行时间驱动）。因此，制造商亟需一种能够快速生成定制化零件设计且节省人力的方案。
集成式轻量化设计方案
本项目需要优化的部件是用于矿石运输的开放式转向架散装货车的自动耦合器切换轴。该部件可使列车操作员在15米长车厢的手动/自动耦合模式间切换，并手动解除载货空间超60立方米的货运车厢驻车制动。
在优化过程中，首先将原始部件导入MSC Apex Generative Design软件平台。利用几何工具在现有空间基础上扩展了设计空间（即算法允许布置材料的区域）。原部件材料为可锻铸铁，为适配增材制造工艺需求，更改为316L不锈钢材质。功能表面预留了后续切削加工的余量，并作为非设计区域锁定以避免被算法修改。通过整合运行过程中产生的各类作用力，将其归纳为载荷工况输入系统。随后启动优化程序，通过设定不同的最大允许应力阈值，直接生成多种轻量化设计方案。
通过优化获得的最优方案成功将部件重量减轻至原设计的50%。借助MSC Apex Structures平台对优化结果进行有限元分析复查发现：相较于原设计的实体结构，新设计的载荷变形量虽有所增加（达到0.5毫米），但仍处于非临界范围。更具实际意义的是，通过大幅降低重量和体积实现了增材制造成本的显著缩减。即使在关键受力区域，应力值仍低于316L不锈钢材料的许用应力极限。
通过MSC Apex Generative Design，即使不具备专业的仿真专业知识，也能以极短的时间投入完成传统零件设计的优化改造，使其成功适配增材制造工艺要求。
传统设计（上图A&B）与减重50%的优化设计（下图C&D）对比显示：受设计空间限制，两种方案均在中下部出现应力集中（对比A与C）；负载形变方面（对比B与D），两者顶部区域变形最为显著，但仍处于公差允许范围内。
如上图所示，左侧预变形部件的测量结果显示其变形量（上图）明显低于右侧未经优化的部件。通过采用Simufact Additive软件进行工艺模拟，在此案例中成功实现了零件质量的显著提升。（数据来源：SLM Solutions公司）
工艺仿真与变形补偿使用Simufact Additive进行的工艺仿真成功解决了该部件打印过程中的两大关键挑战：支撑结构优化与形变补偿。生成的几何数据被导入仿真软件，并在数小时内完成全面计算。在此过程中，可对整个生产工艺（包括后处理步骤）进行设置和模拟，例如从构建平台上移除部件以及热处理等环节。
通过优化打印定位方向，可在减少支撑结构使用的同时实现尽可能理想的打印效果。此外，该软件还能检测打印过程中产生的形变，并据此调整CAD几何模型，使最终成品几何形状高度接近设计目标。
为验证实际效果，项目合作方SLM Solutions公司使用SLM 280 2.0 Twin设备制造了四个不锈钢部件（尺寸约15×9×3厘米），其中两个采用补偿设计，两个未补偿。打印作业耗时14小时，采用50微米层厚共沉积约1800层。随后对部件进行精度及变形量检测发现：预变形部件的变形程度显著低于未优化部件，充分证明虚拟制造仿真技术对提升零件质量和尺寸精度具有决定性优势。
上图中展示的四个316L不锈钢测试件以50微米层厚打印完成，仍固定在构建平台上并保留支撑结构。（数据来源：SLM Solutions公司）
项目总结
本项目案例成功实现部件的重量减半，并通过预变形补偿显著降低了生产引发的形变量。MSC Apex创成式设计方案可帮助用户能够以极少的时间投入对传统零件设计进行优化，使其适配增材制造工艺。结合金属增材制造仿真工具Simufact Additive和聚合物专用工具Digimat-AM，用户无需自身专业知识即可应用增材技术。通过这些工具可生成适应制造需求的最优结构并优化生产流程，并且对生成结构的制造仿真可优化变形和残余应力等关键生产因素，从而实现高质量零件制造。
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【文章来自海克斯康工业软件】