設計師和製造專家的目標常常存在巨大差異，這在鑄造技術中尤其明顯。本文以轉向節為例，向開發人員和企業展示了數位元件開發的潛力。

設計師的目標是實現零件的最大輕量化和高強度結構，而鑄造專家必須確保零件被充分順序填充，優化鑄造系統，使其盡可能精簡，並避免內部孔隙或凝固空隙。在這些目標之間實現折衷通常需要多輪調整，從而延長開發過程。

而且，這些調整需要運用多年來累積的專業知識。國際汽車供應商 Elise GmbH 與卡塞爾大學之間的合作表明，利用 ELISE 軟體平台可以顯著提高此類開發流程的自動化程度。

自適應設計調整

CAD、拓樸最佳化、研發分析和製程模擬工具的數位互連加速了鑄造零件的製造流程，這是未來高效能產品開發的關鍵面向。工程師們開發了一種使用 ELISE 軟體的方法，將 Altair 的 Altair-Optistruct 拓樸最佳化軟體與 Magmasoft GmbH 的 Magma V5 結合，找到協同優化的半自動化設計解決方案（圖 1）。這些解決方案不僅滿足鑄造生產流程要求，而且滿足零件結構要求。

在這種情況下，ELSE 的數位設計功能用於檢測和防止鑄造過程中的材料堆積。較大熱節點的形狀、體積和位置等資料輸入到開發的函數中，這些資料是透過 Magmasoft 中的拓樸最佳化模擬的結果。可以預見的是，生產過程和隨後的凝固領域應用中會出現越來越多的問題。

此外，材料凝固時間用於自動確定凝固方向並調整受影響的鑄造區域。為了提高可鑄性，ELISE 軟體可自適應地使餅和澆口變厚，形成更深的組件結構。在第二步驟中，它識別在凝固方向上偵測到的熱節點路徑。

應用實例

在一項特定的數字研究中，開發了前轉向節。拓樸最佳化考慮了關鍵的製造參數，例如脫模方向和最小壁厚。此最佳化基於三個簡化的剛性載荷條件，專門設計用於承受前轉向節上部的載荷。剛性和定向凝固之間的衝突通常發生在鵝頸區域（圖 2）。

完成拓撲優化後，使用 ELISE 實現了零件的平滑及其轉換回澆注設計。在這種情況下，考慮了設計空間限制，並對計算模型進行了相應調整。其結果可作為研發驗證原型和鑄造模擬毛坯，省去了重新設計拓樸設計結構的耗時步驟。此方法的另一個優點是無需為鑄造模擬的每次迭代製造新模型。

最佳化

上述轉向節表現出三個顯著的凝固熱節點，凝固發生在澆口或內流道的兩側。現在，這些結果在不同的時間步驟從 Magmasoft 程式中導出，並使用開發的鑄造最佳化方法進行進一步處理。由此可見，如何對相關區域進行調整，以達到更好的定向凝固效果（圖3）。在未優化的組件中（圖3a），形成的凝固區域無法向下饋送，導致形成導致孔隙的熱節點。透過在凝固過程中加厚轉向節（圖3b），進行控制，避免形成凝固區域，防止熱節點形成，減少或完全避免氣孔的產生。

以這種方式優化的零件可以以更簡單、更穩定的方式鑄造。所有主要熱節點均減少，甚至完全避免（圖 4）。

這種方法產生的預測孔隙率也有顯著改善。此外，性能分析甚至表明該部件超出了要求，滿足了三個規定的剛性負載條件，為減重提供了空間。

結論

在開發過程中使用數位設計是鑄造零件開發自動化的第一步。該技術減少了開發工程師在常見迭代中傳統上使用的手動工作，為增值和創造性活動提供了額外的自由。它為產品開發的工程和業務流程注入了新的活力，加速了創新進程並增強了競爭優勢。