数字化流程使用DFM将3D打印与传统机加工相结合，助力汽车部件的快速制造

2022年11月23日，南极熊获悉，西门子与机床制造商DMG MORI USA、工具制造商Walter和TRAK Machine Tools合作，展示了数字化在设计和工程工作流程中的强大功能。

△西门子eRod 概念电动车。（图片来源：西门子）

这项合作基于西门子Xcelerator业务平台，显示了优化作为制造业设计和工程的基本组成部分的潜力，在为西门子eRod电动汽车设计和制造转向节时，结合新技术和传统技术，减少浪费，最大限度地利用资源。

△NXCAM G-Code驱动的3D打印转向节的模拟（图片来源：西门子）

这次合作中展示的数字化流程集成了所有四家公司的技术，首先是西门子NX生成初始设计。在这个案例中，合作伙伴利用设计空间探索等集成生成工程工具，将电动汽车的操作参数用于优化零件设计。

△安装在eRod上的拓扑优化转向节组件的模拟（图片来源：西门子）

在增材制造设计阶段，使用结构仿真和优化对零件进行验证，以确保满足性能要求，并针对可用于生产的制造工艺对零件进行优化。在这个项目中，仿真驱动的设计确保用最少的材料创建零件，从而使转向节的设计减轻了45%的重量，并提高了零件对该部件通常经历的应力的弹性。

在工艺规划这个阶段，合作伙伴采用Teamcenter和Opcenter软件制定了全面的制造计划。这有助于制造商通过应用他们自己的标准数控编程、检测路径方法、工具和程序模板实现编程自动化。它还能确保在车间里对正确的修订进行编程和测量，为整个数字制造过程创造一个单一的数据源。

△在DMGMORI LASERTEC 30 DUAL SLM上3D打印转向节（图片来源：西门子）

在制造阶段，使用增材制造和传统制造方法相结合的方式制造零件，然后进行加工，以达到尺寸精度和公差。西门子表示，在这一阶段使用软件自动完成常规任务，使编程时间减少了60%。该零件在NX CAM中使用五轴同步编程、基于云的后处理和集成模拟，为增材制造和传统的减材制造进行了准备和编程。然后在DMG MORI LASERTEC 30 DUAL选择性激光熔化（SLM）机上使用Ti6Al4V钛粉进行生产。最终的公差和表面处理是由DMG MORI的DMU 85 monoBLOCK五轴加工中心完成的，该中心配备了SINUMERIK840D sl数控系统，进行两步加工。该机床还配备了Walter设计的工具，用于精加工和切割操作。

△在DMGMORI monoBLOCK 85上加工3D打印的转向节（图片来源：西门子）

钛合金的增材制造过程，除了在加工时常会遇到的挑战外，还有许多其他的挑战。虽然增材制造擅长制造复杂的部件，但这些部件的加工很少是简单的。3D打印所需的支撑结构往往比散装材料更脆，而且3D打印的结构往往具有标准工具难以达到的特征。这些复杂的零件几何形状在加工过程中往往难以夹紧，这意味着最大限度地减少振动对于降低损坏零件的风险至关重要。为了应对这些挑战，Walter开发了一种使用组合工具的工艺，以提供符合所有尺寸精度和表面光洁度要求的成品零件。在评估整个组件时，设计团队发现，某些组件仍然可以使用传统工艺更有效地制造。具体来说，主轴适合于数控车削。为了实现这一改变，工程师们使用了Run MyVirtual Mach（数字孪生系统）将 TRAK MachineTools TC820si 车削中心添加到数字制造过程中。主轴在SINUMERIK ONE控制器中通过ShopTurn对话式编程进行虚拟编程，然后用TC820si的3D双机进行验证。

△轮节主轴非常适合传统的车削操作（图片来源：西门子）

为了闭环，质量控制和生产准备是通过使用NX CMM检测编程软件内的PMI（产品制造信息）采集和存储的尺寸和公差数据驱动的自动CMM流程进行的，以确保零件在预期的公差范围内，并准备好进行装配。在最后的装配过程中，更传统的主轴部件与新优化的关节相连接，并安装在西门子eRod上。