3D打印铸模结合仿真驱动设计激发铸造业新活力

在一个铸造行业车轮铝合金轮架的模具制造与3D打印对接项目中，Altair的solidThinking Inspire, Click2Cast与HBM nCode、voxeljet合作，为模具生产带来了极其可观的性能提升。通过将仿真优化、疲劳分析、铸造仿真和3D打印技术结合来满足轻量化设计的挑战，同时提高生产效率及产品性能。

挑战

本案例通过一个铝合金组件（轮架）造型的重构过程，解析3D打印技术与仿真优化技术结合的重要作用。要知道车轮的承载组件在外力作用下会有偏移和变形的现象，直接影响整个车辆悬挂系统的性能，因此刚度的提升异常关键。如何能在保持本身质量不增加的情况

下，最大程度提升其性能，是这个项目关注的重点。

使用Inspire拓扑优化技术

Inspire基于Altair的OptiStruct优化求解器，应用于概念阶段，以仿真驱动结构设计。在设计初始，设计人员可对模型施加最为严苛的工况，例如硬制动、最大转弯、驾车颠簸等。运行优化过程中，还可以考虑制造约束的影响。运行优化后，将结果与原始设计相比，重量几乎一样，但其性能却有显著提升：在同样的载荷工况下，刚度提升了3-5倍。

solidThinking Inspire拓扑优化过程

nCode Designlife的疲劳分析

不仅仅是最大负载，零件的整个运行周期的抗疲劳破坏也是零件性能的关键考量因素。通过nCode Designlife耐久性和认证分析的疲劳寿命预测，模拟了5种不同的路况的35个小时连续运转环境，包括通过Altair的OptiStruct计算的零件不同位置所承受的压力数据以及材料数据库的材料性能数据，这些数据结合在一起用来预测抗疲劳强度。

Click2Cast的铸造仿真

Click2Cast为Altair的铸造工艺仿真软件，这个软件在设计的开始和最后都需要使用，通过软件来增强和优化部件的结构，以避免典型的铸造缺陷，如空气滞留、孔隙度等。在设计的最后，通过Click2Cast来仿真整个模具注入过程以及凝固过程，帮助实现最高效的制造方法和减少能源、时间和材料的浪费。

voxeljet 3D打印铸模

voxeljet的3D打印过程

经过优化、疲劳分析和铸造仿真过程，最后模型发送到voxeljet的设备终端，通过CAD数据，voxeljet将PMMA材料的塑料模型打印出来。这种有机材料模具的燃烧灰烬很少，并且变形量几乎为零，这很适合熔模铸造法，并带来了优异的尺寸公差精度和高质量的表面精度，而且通过3D打印过程制造的模具避免了前期昂贵的开模的需求。

结果令人欣喜：新设计在质量几乎与原来相同的情况下，产品性能（刚度）大幅提升，并拥有可制造性和更好的耐久性。另外，在原来的设计中，结构设计常常需要向制造工艺妥协。在新的解决方案中，设计人员可以将性能作为首要考虑的目标，即使设计结果非常复杂，也能够轻松使用3D打印技术实现。

结论

通过以上案例可以看出，优化及仿真技术能够更好的实现轻量化设计，并极大地激发3D打印技术的潜力。

（内容、图片来源：Altair官方文件）

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