Spaceframe（次世代空间架构）与轻量化和灵活性相结合
    

     
     利希腾费尔斯（德国），2016 年 6月 27 日——现在的制造商们需要将越来越多的驱动概念整合到车辆结构中去。未来的车身，尤其是在各种小批量车型的替代驱动系统方面，不仅需要更轻量，而且要求设计上更需具备极高的灵活性。可想而知，其结果便会出现越来越多的车辆衍生品，而这些衍生品则需要具备自我调整能力和制造经济性的车身设计。对此，在可预见的未来，增材制造技术可能会开创一条全新的可行道路。

     EDAG 的概念车“Light Cocoon”是一款紧凑型运动车，该车具有仿生学优化设计和增材制造的车辆结构，车表覆盖着一层由耐气候材料构成的外表皮。EDAG 曾在 2015 年 3 月的日内瓦国际车展和 2015 年 9 月的法兰克福车展上展出了该 Light Cocoon概念车。“EDAG Light Cocoon”打破了车辆设计的固有范式，采用仿生学优化设计，并将其转化成轻量化的车身结构，而且值得一提的是，该车身结构采用增材制造技术打造，是一辆体现增材制造技术潜力的概念车。

图 1：EDAG 在 2015 年 3 月的日内瓦国际车展和 2015 年 9 月的法兰克福车展上展出的概念车“EDAG Light Cocoon”，是具有仿生优化设计和增材制造车辆结构的紧凑型运动车。[图片来源：EDAG Engineering GmbH]

       NextGen Spaceframe（次世代空间架构）与轻量化和灵活性相结合的技术范例

  
      在一个联合项目中，EDAG Engineering GmbH（德国威斯巴登）、Laser Zentrum Nord GmbH（德国汉堡）、Concept Laser GmbH（德国利希腾费尔斯）和 BLM Group（意大利坎图）通过仿生优化、混合制造而成的　Spaceframe（空间架构），为如何才能将需要灵活制造的车身设计变为现实展示出了新的前景。该技术将增材制造的车身节点与智能加工的型材相结合。在增材制造技术的帮助下，节点的设计可以具有很高的灵活性和多功能性，这样就可以在无需额外工具和启动成本的情况下，“按需”生产不同车型。连接元件使用钢制型材。

 
图2：NextGen Spaceframe（次世代空间架构）技术范例可以对经过功能整合和仿生优化的车辆轻量化结构进行灵活地制造：关于如何才能将可变且极其灵活的、适用于根据负载级别设计的车身的生产理念转变为现实这个问题，经过仿生优化、采用生成式混合制造方法制造的 Spaceframe（空间架构）设计为其展示出了新的前景。[图片来源：EDAG Engineering GmbH]

   
        NextGen Spaceframe（次世代空间架构）详情

      NextGen Spaceframe（次世代空间架构）由增材制造的 3D 节点和智能加工的钢制型材组合而成。节点可以在现场根据不同的车型采用“Just in Sequence”（JIS，准时化顺序供应）方式制造。重点是将单个部件接合成混合结构，以便制造出经过拓扑优化的结构，但这一点目前尚无法实现。

      连接时采用的是焊缝细小、热输入低的激光焊接法。其几何基础是，需要将型材完全套入其中，这一点可以通过对型材进行 3D 测量并按需进行增材制造来实现。这种连接方式可以在对部件进行良好预定位的同时，在较大连接长度上实现整圈焊接。型材将自动通过节点进行对准和固定。使用盘形激光器和机器人引导的光学元件。此外，用于制造型材和节点的激光技术可以在装配过程中实现高度自动化。这种设计在成本结构和节省时间方面提供了巨大潜力。

      增材制造的节点可以根据不同负载级别进行调整，例如在负载要求较高时可增添加固元件。这样，每一款车型都能实现重量和功能优化。

      在本案中，EDAG Engineering GmbH 负责设计和优化 Spaceframe（空间架构），Laser Zentrum Nord GmbH 负责激光焊接，BLM Group 负责 3D 弯曲和激光切割，而 Concept Laser GmbH 则负责节点的增材制造。只有合作伙伴之间的跨学科合作和各个技术专家的高超能力才能确保这个项目成功变为现实。 
NextGen Spaceframe（次世代空间架构）节点的增材制造

      Concept Laser 的 LaserCUSING® 工艺可直接根据 3D-CAD 文件逐层生成部件。通过该方法无需使用刀具即可生产出具有复杂几何结构的部件。它可以制造出使用传统制造工艺极难或根本无法制造的部件。本设计中的节点均无法使用传统的铸钢工艺制造。为了确保结构无缺陷，需要在与构造平台夹角小于45°的平面上设计支撑结构。该支撑结构除了具备单纯的支撑功能外，主要还用于承受内部应力并防止部件翘曲。因为节点的几何结构较为复杂，所以良好的支撑准备是成功生产的基础。完成支撑准备之后，将通过虚拟形式把部件切割成单层。在将数据传输到 LaserCUSING 设备上之后，将分配相应的过程参数，然后启动构造过程。这些节点均在 Concept Laser 的 X line 1000R 设备上制造而成，该设备具有适用于此项目的构造空间 (630 x 400 x 500 mm3) 并配有 1 kW 的激光器。在基于粉末床的金属激光熔融领域，只有同样来自 Concept Laser 的全新 X line 2000R 才能提供更大的构造空间 (800 x 400 x 500 mm3)，且该设备还配备了 2 x 1kW 激光器。

图3：X line 1000R 的后继型号，Concept Laser 的 X line 2000R（构造空间：800 x 400 x 500 mm3），配备了两台 1kW 激光器。[图片来源：Concept Laser GmbH]

       结论：采用激光技术的数字化 3D 制造战略

   
      Spaceframe（空间架构）设计结合了 3D 打印的优势，例如灵活性和轻量构造潜力，以及成熟的型材构造经济性。在这两种技术中，激光都处于核心地位。经过拓扑优化的节点实现了最大程度的轻量化和功能的高度整合。无论是节点还是型材，都可以在不增加成本的同时，根据几何结构和负载要求进行调整。因此，它们提供了根据负载级别对单个零件进行设计的可能。由此可见，主导思想是要根据车型的要求优化进行节点-型材构造设计。结果就是得到了经过负载路径优化的 Spaceframe（空间架构）结构。通过采用这种设备和刀具使用较少的方法，将来所有车身类型都将能够经济地制造并具有最高灵活性。

      关于Concept Laser

      Concept Laser 有限公司是一家来自利希滕费尔斯（Lichtenfels，德国）的独立企业。公司自 2000 年成立以来，一直都是激光熔融技术领域的创新推动者，凭借获得专利的 LaserCUSING® 技术从事跨行业的经营活动。
 

      LaserCUSING® 这个词由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英语 FUSING（熔融）组成，描述的是这样一种技术：该熔融方法是采用3D CAD 数据逐层生成部件的熔融技术。在这过程中，粉末状的金属通过高能光纤激光器发生局部熔化。冷却后，材料凝固。反射镜偏转装置（扫描器）通过对激光束进行偏转制造出部件轮廓。通过降低构造空间底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐层（层厚 15 – 500 μm）构造出部件。该方法可在不使用模具的情况下制造出复杂几何形状的部件，而这是常规制造方法很难或根本无法做到的。