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      Spaceframe（次世代空間架構）與輕量化和靈活性相結合
    

     
     利希騰費爾斯（德國），2016 年 6月 27 日——現在的制造商們需要將越來越多的驅動概念整合到車輛結構中去。未來的車身，尤其是在各種小批量車型的替代驅動系統方面，不僅需要更輕量，而且要求設計上更需具備極高的靈活性。可想而知，其結果便會出現越來越多的車輛衍生品，而這些衍生品則需要具備自我調整能力和制造經濟性的車身設計。對此，在可預見的未來，增材制造技術可能會開創一條全新的可行道路。

     EDAG 的概念車“Light Cocoon”是一款緊湊型運動車，該車具有仿生學優化設計和增材制造的車輛結構，車表覆蓋著一層由耐氣候材料構成的外表皮。EDAG 曾在 2015 年 3 月的日內瓦國際車展和 2015 年 9 月的法蘭克福車展上展出了該 Light Cocoon概念車。“EDAG Light Cocoon”打破了車輛設計的固有范式，采用仿生學優化設計，并將其轉化成輕量化的車身結構，而且值得一提的是，該車身結構采用增材制造技術打造，是一輛體現增材制造技術潛力的概念車。

圖 1：EDAG 在 2015 年 3 月的日內瓦國際車展和 2015 年 9 月的法蘭克福車展上展出的概念車“EDAG Light Cocoon”，是具有仿生優化設計和增材制造車輛結構的緊湊型運動車。[圖片來源：EDAG Engineering GmbH]

       NextGen Spaceframe（次世代空間架構）與輕量化和靈活性相結合的技術范例

  
      在一個聯合項目中，EDAG Engineering GmbH（德國威斯巴登）、Laser Zentrum Nord GmbH（德國漢堡）、Concept Laser GmbH（德國利希騰費爾斯）和 BLM Group（意大利坎圖）通過仿生優化、混合制造而成的　Spaceframe（空間架構），為如何才能將需要靈活制造的車身設計變為現實展示出了新的前景。該技術將增材制造的車身節點與智能加工的型材相結合。在增材制造技術的幫助下，節點的設計可以具有很高的靈活性和多功能性，這樣就可以在無需額外工具和啟動成本的情況下，“按需”生產不同車型。連接元件使用鋼制型材。

 
圖2：NextGen Spaceframe（次世代空間架構）技術范例可以對經過功能整合和仿生優化的車輛輕量化結構進行靈活地制造：關于如何才能將可變且極其靈活的、適用于根據負載級別設計的車身的生產理念轉變為現實這個問題，經過仿生優化、采用生成式混合制造方法制造的 Spaceframe（空間架構）設計為其展示出了新的前景。[圖片來源：EDAG Engineering GmbH]

   
        NextGen Spaceframe（次世代空間架構）詳情

      NextGen Spaceframe（次世代空間架構）由增材制造的 3D 節點和智能加工的鋼制型材組合而成。節點可以在現場根據不同的車型采用“Just in Sequence”（JIS，準時化順序供應）方式制造。重點是將單個部件接合成混合結構，以便制造出經過拓撲優化的結構，但這一點目前尚無法實現。

      連接時采用的是焊縫細小、熱輸入低的激光焊接法。其幾何基礎是，需要將型材完全套入其中，這一點可以通過對型材進行 3D 測量并按需進行增材制造來實現。這種連接方式可以在對部件進行良好預定位的同時，在較大連接長度上實現整圈焊接。型材將自動通過節點進行對準和固定。使用盤形激光器和機器人引導的光學元件。此外，用于制造型材和節點的激光技術可以在裝配過程中實現高度自動化。這種設計在成本結構和節省時間方面提供了巨大潛力。

      增材制造的節點可以根據不同負載級別進行調整，例如在負載要求較高時可增添加固元件。這樣，每一款車型都能實現重量和功能優化。

      在本案中，EDAG Engineering GmbH 負責設計和優化 Spaceframe（空間架構），Laser Zentrum Nord GmbH 負責激光焊接，BLM Group 負責 3D 彎曲和激光切割，而 Concept Laser GmbH 則負責節點的增材制造。只有合作伙伴之間的跨學科合作和各個技術專家的高超能力才能確保這個項目成功變為現實。 
NextGen Spaceframe（次世代空間架構）節點的增材制造

      Concept Laser 的 LaserCUSING® 工藝可直接根據 3D-CAD 文件逐層生成部件。通過該方法無需使用刀具即可生產出具有復雜幾何結構的部件。它可以制造出使用傳統制造工藝極難或根本無法制造的部件。本設計中的節點均無法使用傳統的鑄鋼工藝制造。為了確保結構無缺陷，需要在與構造平臺夾角小于45°的平面上設計支撐結構。該支撐結構除了具備單純的支撐功能外，主要還用于承受內部應力并防止部件翹曲。因為節點的幾何結構較為復雜，所以良好的支撐準備是成功生產的基礎。完成支撐準備之后，將通過虛擬形式把部件切割成單層。在將數據傳輸到 LaserCUSING 設備上之后，將分配相應的過程參數，然后啟動構造過程。這些節點均在 Concept Laser 的 X line 1000R 設備上制造而成，該設備具有適用于此項目的構造空間 (630 x 400 x 500 mm3) 并配有 1 kW 的激光器。在基于粉末床的金屬激光熔融領域，只有同樣來自 Concept Laser 的全新 X line 2000R 才能提供更大的構造空間 (800 x 400 x 500 mm3)，且該設備還配備了 2 x 1kW 激光器。

圖3：X line 1000R 的后繼型號，Concept Laser 的 X line 2000R（構造空間：800 x 400 x 500 mm3），配備了兩臺 1kW 激光器。[圖片來源：Concept Laser GmbH]

       結論：采用激光技術的數字化 3D 制造戰略

   
      Spaceframe（空間架構）設計結合了 3D 打印的優勢，例如靈活性和輕量構造潛力，以及成熟的型材構造經濟性。在這兩種技術中，激光都處于核心地位。經過拓撲優化的節點實現了最大程度的輕量化和功能的高度整合。無論是節點還是型材，都可以在不增加成本的同時，根據幾何結構和負載要求進行調整。因此，它們提供了根據負載級別對單個零件進行設計的可能。由此可見，主導思想是要根據車型的要求優化進行節點-型材構造設計。結果就是得到了經過負載路徑優化的 Spaceframe（空間架構）結構。通過采用這種設備和刀具使用較少的方法，將來所有車身類型都將能夠經濟地制造并具有最高靈活性。

      關于Concept Laser

      Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國）的獨立企業。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術領域的創新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING® 技術從事跨行業的經營活動。
 

      LaserCUSING® 這個詞由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英語 FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一種技術：該熔融方法是采用3D CAD 數據逐層生成部件的熔融技術。在這過程中，粉末狀的金屬通過高能光纖激光器發生局部熔化。冷卻后，材料凝固。反射鏡偏轉裝置（掃描器）通過對激光束進行偏轉制造出部件輪廓。通過降低構造空間底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐層（層厚 15 – 500 μm）構造出部件。該方法可在不使用模具的情況下制造出復雜幾何形狀的部件，而這是常規制造方法很難或根本無法做到的。