Spaceframe（次世代（dài）空間（jiān）架構）與輕（qīng）量化和靈活性相結合
    

     
     利希騰費爾斯（德國），2016 年 6月（yuè） 27 日——現在的製造商們需要將（jiāng）越來（lái）越多的驅動概（gài）念整（zhěng）合到（dào）車輛結構中去（qù）。未來的（de）車身，尤其是在各種小批量（liàng）車型的替代驅動係統方麵，不僅需要更輕量（liàng），而且要求（qiú）設計上更需具備極（jí）高的靈活性。可想而知，其結果便會出現越來越多的車輛衍（yǎn）生品（pǐn），而這些（xiē）衍生品則需要（yào）具備自我（wǒ）調整能力和（hé）製造經濟性的車（chē）身設計。對此，在可預（yù）見的未來，增材製造技術（shù）可能（néng）會開創一條全新（xīn）的可行道路。

     EDAG 的（de）概念車“Light Cocoon”是一款緊湊型運動車，該車具有（yǒu）仿（fǎng）生學優化設計（jì）和增材製造（zào）的車輛結構，車表覆蓋著一層由耐氣候材料構成（chéng）的外表皮。EDAG 曾（céng）在 2015 年 3 月的日內瓦國際車展和 2015 年 9 月的法蘭克（kè）福車展上展出了該 Light Cocoon概念車。“EDAG Light Cocoon”打破了（le）車輛設（shè）計的固有範（fàn）式（shì），采（cǎi）用仿生學優化設計，並將其轉化成輕量化的（de）車（chē）身結構，而且值得一提的是，該車身結構采用增材製造技術打造，是一輛體（tǐ）現增材製造技（jì）術潛力的概念車（chē）。

圖 1：EDAG 在 2015 年 3 月的日（rì）內瓦國際車展和 2015 年 9 月的法蘭克福車展（zhǎn）上展出的概（gài）念車（chē）“EDAG Light Cocoon”，是具有仿生優化（huà）設計和增材製造車輛（liàng）結（jié）構的緊湊型運動車。[圖片（piàn）來（lái）源：EDAG Engineering GmbH]

       NextGen Spaceframe（次世代空間架構）與輕量化和靈活性相（xiàng）結合的技術範例（lì）

  
      在一個聯合項目中（zhōng），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、混合製造而成的　Spaceframe（空間架構），為如何才能（néng）將需要（yào）靈活製造的車身設計變為（wéi）現實展示出了新的前景。該技術將增材製造的車身節點與智（zhì）能加工的型材相結合。在增材製造技術的幫助下，節點的設計可以具有很高的靈活性和多功能性（xìng），這樣就（jiù）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。連接元件使用鋼製（zhì）型材。

 
圖2：NextGen Spaceframe（次世代空間架（jià）構）技術範例可以（yǐ）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製造：關於如（rú）何才能將可變且極其（qí）靈活（huó）的、適用於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、采用生成式混合製造方法製（zhì）造的 Spaceframe（空（kōng）間架構）設計為其（qí）展示出了新的前景。[圖片來源（yuán）：EDAG Engineering GmbH]

   
        NextGen Spaceframe（次世代空間架構）詳（xiáng）情

      NextGen Spaceframe（次世代空間（jiān）架構）由（yóu）增（zēng）材製造的 3D 節點和智能加工的鋼（gāng）製型材組（zǔ）合而成。節（jiē）點可（kě）以在現場根據不同的車型采用“Just in Sequence”（JIS，準（zhǔn）時化順序（xù）供應）方式製造。重點是（shì）將單個部件接合成混合結構，以便製造出經過拓撲優化的結構，但這（zhè）一點目前尚無（wú）法實現。

      連接時采用的是焊縫（féng）細小、熱（rè）輸入低的激光（guāng）焊接法。其幾何基礎是，需（xū）要（yào）將型材完全套入其中（zhōng），這一點可以通過對型材進（jìn）行 3D 測量並（bìng）按需進行增材製造來實現。這種連接方（fāng）式可以在對部件進行良好預定（dìng）位的同時，在較大（dà）連接長度上實（shí）現整圈焊接。型材將自動通過節點（diǎn）進行對準和固定。使用（yòng）盤形激光（guāng）器和機器人（rén）引導的光學元件。此外，用於製造型材和節點的激光技術可以在裝配過程中（zhōng）實現高度（dù）自動化。這種設計在成本結構和節省時間方麵提供了巨大潛力。

      增材製造的節（jiē）點可以根據不同（tóng）負載級別進行調（diào）整，例如在負載要求（qiú）較高時可增添加（jiā）固元件。這（zhè）樣，每一款車型都能實現重量和（hé）功能（néng）優化（huà）。

      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（qiē）割，而 Concept Laser GmbH 則負責節點的（de）增材製造。隻有合作夥伴（bàn）之間的跨學科合作和各個技術專家的高超能（néng）力才能確保這個項（xiàng）目成功變為現實。 
NextGen Spaceframe（次世代空（kōng）間架構）節點的增材製造

      Concept Laser 的 LaserCUSING® 工（gōng）藝可直接根據（jù） 3D-CAD 文件逐層生成部件。通過該方法無需使用刀具即（jí）可生產出具有複雜幾何結構的（de）部件（jiàn）。它可以（yǐ）製造出使用傳統製造工藝極難或根本無（wú）法製造的（de）部件。本設計中的節點均（jun1）無法使用傳統的（de）鑄鋼工藝製造。為了確保結構無缺陷，需要在（zài）與構造平台夾角小於（yú）45°的平麵上設計支撐結構。該支撐結構除了具備單純的支撐功能外，主要還用於承（chéng）受內部應力並（bìng）防止部件翹曲。因為節點的幾何結（jié）構較為複雜，所以良好的支撐準備是成功生產的（de）基礎。完成支（zhī）撐準備之後，將通過虛擬（nǐ）形式把部件切割成單層。在（zài）將數據傳輸到 LaserCUSING 設備上之後，將分配相應（yīng）的過程參數，然後啟動構造過程。這些節點均在 Concept Laser 的 X line 1000R 設備上製造而成，該設備（bèi）具有適用於此（cǐ）項目的構（gòu）造空間（jiān） (630 x 400 x 500 mm3) 並配有 1 kW 的激光器。在基於粉末床的（de）金屬激光熔融（róng）領域，隻有同樣來自 Concept Laser 的全新 X line 2000R 才能提（tí）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（tú）3：X line 1000R 的後繼型號，Concept Laser 的 X line 2000R（構造（zào）空間：800 x 400 x 500 mm3），配（pèi）備了兩台 1kW 激光器。[圖片來源：Concept Laser GmbH]

       結論：采用激光技術的數（shù）字化 3D 製造戰略

   
      Spaceframe（空間架構）設計（jì）結合（hé）了 3D 打印的優（yōu）勢（shì），例如（rú）靈活性和輕（qīng）量構造潛力，以及成熟的型材構造經濟性。在這（zhè）兩種技術中，激光都處於核心（xīn）地位。經過拓（tuò）撲優化的節點實現了最大程度的輕量化和功能的（de）高度整合。無（wú）論是節點還是型（xíng）材，都可（kě）以（yǐ）在不增加成本的同時，根據幾何結構（gòu）和負載要求進行（háng）調整。因此，它們提供了（le）根據負載（zǎi）級（jí）別對單個零件進行設計的可能。由此可見，主導思（sī）想是要根據車型的要求優化進行（háng）節點-型材構造設計（jì）。結果就是得到了經過負載路徑優化的 Spaceframe（空間架（jià）構）結構。通過采（cǎi）用這種設備和刀具使用較少的方（fāng）法，將來所有車身類（lèi）型（xíng）都（dōu）將能夠經濟地製造並具有最（zuì）高靈活性。

      關於（yú）Concept Laser

      Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國）的獨（dú）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（shù）從事（shì）跨行業的經營活動。
 

      LaserCUSING® 這個詞由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激（jī）光）和英語 FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一種技術：該熔（róng）融方（fāng）法是采用3D CAD 數（shù）據逐層生成部件（jiàn）的熔融技術。在這過程中，粉末狀的（de）金屬通過高能光纖激光器發生局部熔化。冷卻後，材料凝固。反射鏡偏轉裝置（掃描器）通（tōng）過對激光束進行偏轉製造（zào）出部（bù）件輪廓。通過降低構造空間底麵、重新塗敷粉末和再次熔化（huà）逐層（層厚 15 – 500 μm）構造出部件。該方法可在不使用模具的（de）情況下製造（zào）出複雜幾何形狀（zhuàng）的部件，而這（zhè）是常規製造方法很難或根本無（wú）法做到的。