案例分享 | ​借助增材技术提高包装行业的效率

包装行业具有高度自动化特点，快速、安全的包装商品成为竞争的核心，打造更为轻量化的包装设计成为该行业不断追逐的目标。

抓持工具越轻，包装过程将变得越高效、越快。MSC Apex Generative Design，可以简单、快速地对多种夹具进行轻量化设计。

抓持、运输、存放、包装，这些是包装机器的基本任务，通过高度自动化的抓取和输送，可以安全可靠地包装单件产品。不同的产品在重量、尺寸和几何形状上都存在较大差异，这意味着它们需要不同的夹爪进行抓取，并且夹爪结构较为复杂。另外，需要将质量设计的尽可能轻，但同时保证足够大的刚度，从而在操作期间节省耗能并保证运输的安全。如此一来，导致对产品开发的要求越来越高，因为这种单个且复杂的夹持结构，对其经典设计的优化十分昂贵且耗时。

贸易的发展使得客户所需求的包装种类越来越多。同时，可持续利用理念的日趋深入，对包装、材料的要求也越来越高。在这些环境驱使带动下，制造商必须非常迅速地适应市场。而这只能通过开发出更加灵活、更高性能的包装机来实现，毫无疑问需要新技术的支持才能满足对高度个性化包装商品的需求，并减少材料和能源的耗费。

将创成式设计与增材制造相结合，有望提供可行的解决方案。借助创成式设计，可以快速、轻松地创建复杂的轻量化设计。只需较少的手动操作就可以使夹爪得以优化。生成的结构可以通过增材制造，以简单的、数字化的和即时的方式进行生产；即使是非常轻且高度复杂的结构也很容易制造。

MSC Apex Generative Design是一款功能强大但易于使用的软件。对于当前的案例，将初始几何CAD模型导入到MSC Apex Generative Design中。优化结果是根据此几何形状进行设计的，设置必要的连接区域和设计空间，并使用PA12塑料作为材料。直观的用户界面及其强大的几何功能使其可以在不到一个小时的时间内将复杂的初始几何转换为可直接打印的优化模型。在优化分析之前，只需要15分钟即可完成添加边界条件、设置优化的目标参数等准备操作。

图 1: 从以待优化的CAD文件导入，到以待MSC Nastran验证的CAD文件导出，整个过程都可以快速、完全的在MSC Apex Generative Design中完成。

优化服务器只需要18分钟即可创建轻量化设计。计算时间如此的短，给客户更多机会去尝试不同的参数和变量，从而选择最合适的设计。例如，特别轻巧的结构，由于结构的复杂性而难以清洗。因此，最初选择的是不太复杂的结构。重量仅为150克，做到了真正的轻量化-与原始（PA12）的340克相比，重量减轻了56％！

使用将面片体转换为NURBS几何的功能，将stl文件转换为可编辑的CAD实体几何。可以作为NURBS模型，使用熟悉MSC Nastran的算法进行验证。结果表明，刚性显著提高了四倍，载荷下的应力也显着降低。

图 3: 即使是复杂的结构，也只需简单操作，就可以将基于NURBS的标准CAD格式转换为其他标准格式

图 4:打印塑料零件之前，使用复合材料增材制造仿真软件对工艺进行评估，避免过度变形，对要求苛刻的夹持器获得最大使用精度

下一步，对优化的夹爪工具进行工艺评估。为此，将其导入Digimat AM中，平放在虚拟工作台上，然后生成网格以进行优化。分析表明，总组件变形很小，只有两个外围区域存在偏差。通过创建预变形的结构，可以使用Digimat AM补偿这些偏差，以便直接构建出正确的结构。

图 5: 使用Simufact Additive，模拟金属增材制造工艺，可以优化定位、支撑结构和制造参数等，并且可以避免变形过大和应力集中等现象

图 6: 零件与CAD文件的TARGET几何形状的偏差（左）

零件壁厚的偏差（右）

基本上均匀的绿色渐变表明变形低且材料分布均匀。面板的粉红色是随后在CAD中对徽标进行手动表面处理的结果。

图 7: 零件的其中一个分支中有一些孔。但是，通过VGSTUDIO MAX进行的分析显示，这些孔对夹爪在负载条件下的应用没有影响

使用CT扫描数据分析零件

金属夹爪采用铝合金制成，并在生产后通过无损CT扫描进行检查。使用VGSTUDIO MAX软件分析所得的CT数据。可以在软件中将详细的数字图像与原始CAD数据进行比较，以清楚地显示偏差。从图片中可以看到（图6），生产过程显示零件的支腿略有偏离，在扫描中还可以发现一些孔（图7）（放大用于说明）。对变形和壁厚的分析（图6）表明，零件总体上着色均匀，面板上的变形是由于之后手动插入的带字母的区域引起的。向外的偏差可以被铣削掉而不产生任何影响。壁厚几乎连续呈绿色，显示出均匀、良好的材料分布，这是确保成功进行增材制造所必备的条件。

总结

该案例展示出了MSC Apex Generative Design和其他MSC工具的性能与优势。除了强大的CAD导入功能可为优化模型提供简单直接的操作准备外，各种设置都可以非常简单地创建、优化结果可以非常快速地生成。之后的调整，例如，额外的支撑杆和法兰，也可以设计并优化集成，只需单击几下鼠标，即可得到基于NURBS的CAD格式，并可以使用MSC Nastran进行直接验证。然后，可以使用Digimat-AM和Simufact Additive来仿真并优化生产，从而保证优质的打印结果。CT扫描用于检查实际成分， 使用VGSTUDIO MAX进行的数据分析显示出总体结果十分良好，通过MSC Software进行数字设计和制造仿真，为生产和使用做好最佳准备。