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Claudius Peters

重型设备制造商实现创成式设计落地

颠覆制造行业未来格局

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图片由 LimbForge 提供

新产品开发技术助力百年老牌公司迎接未来制造

Claudius Peters 是一家拥有 113 年悠久历史的散装材料加工设备制造商,目前正在向一家面向 21 世纪的数字公司转型。创成式设计让这家公司实现彻底转变,为产品设计和优化提供了一种全新方式。这项技术通常与 3D 打印有关,这家公司通过将这项技术应用于传统制造方法,正在为价格敏感的工业市场生产更具成本效益的产品。重工业创成式设计有助于减少材料、削减能源成本和缩短交货期,让 Claudius Peters 在不断变化的时代更具竞争力。

一家老牌公司拥抱变革

德国制造商 Claudius Peters 是“重工业”的代名词:公司为水泥、钢铁、石膏和铝工业生产大型工业机械和加工设备。Claudius Peters (CP) 运营总监 Thomas Nagel 表示:“我们是处理散装材料的专家。”除了德国汉堡附近的总部外,公司在美洲、欧洲和亚洲设有 12 家地区办事处。

CP 成立于 1906 年,生产大型资本密集型工业产品(输送机、料仓、研磨机)已经 100 多年。但是,Nagel作为首席数字官并没有墨守成规,而是正在帮助公司树立作为全球数字创新领导者的声誉。Claudius Peters 在 2014 年发起一场创新之旅,目标是改善与成本、质量、交付速度和客户满意度相关的业务成果。但公司意识到,要想在 21 世纪保持竞争力,需要的不仅仅是新软件。2018 年,CP 开始进一步转型为一家敏捷公司,这需要新的数字技能和以设计思维、实验和迭代为主的文化。

Thomas Nagel 是 Claudius Peters 公司的运营总监兼首席数字官,他在公司位于汉堡附近的德国总部 Buxtehude 工作。

创新之旅启程

与 Autodesk 等技术合作伙伴合作,一直是 Claudius Peters 创新之旅的关键。CP 采用包括 BIM 360 (英文) 在内的新工具,将销售、工程、设计、制造和装配过程相互连通。公司还利用 Inventor 和有限元法 (FEM) 分析找到了简化制造过程的新方法。为了安装这些机器,CP 开始使用带有 ReCap (英文) 和 Navisworks 的 3D 现实捕捉扫描技术,在客户设施中捕捉数据,然后迅速将这些文件交给德国的工程和设计团队。“这意味着我们的工作速度更快,质量更高,成本更低,从而带来更高的客户满意度。”Nagel 说,

“但我们的创新并未止步于此。”他又说道。受 Fusion 360 中的创成式设计演示启发,Nagel 举行了一场四小时的研讨会,让 CP 团队了解这一新兴技术。

Autodesk 创成式设计 (英文)软件采用设计目标和限制,探索设计解决方案可能变换的形式,快速生成数十个可供选择的方案。在对一些通用零件进行试验后,团队决定尝试使用创成式设计来优化 CP 一种水泥工业核心产品(熟料冷却器)的零件。

Nagel(右)与 Claudius Peters 团队一起查看现有熟料冷却器零件的设计。

什么是熟料冷却机?

水泥工业最早一直就是 Claudius Peters 的支柱市场。水泥制造商将碎石混合在一起,在窑中加热到 1,450°C (2,640°F),将其熔合成大理石大小的块状物,称为“熟料”。炽热的熟料被排放到熟料冷却机中,熟料冷却机是 50×25 米(164×82 英尺)的大型机器。当熟料经过冷却机时,空气会使熟料冷却到 100°C (212°F) 左右。然后熟料被磨碎,与其他原料混合,形成水泥。

CP 从 20 世纪 50 年代初开始向该行业供应熟料冷却机,在接下来的 60 年里生产了超过 700 台冷却机。但熟料生产消耗大量能源,使水泥工业成为世界上二氧化碳排量最高的行业之一。

21 世纪初,CP 开始开发可节约能源的新一代熟料冷却机:ETA 冷却机,以希腊符号“η”(“eta”)命名,该符号表示能源效率。Nagel 表示:“我们 ETA 冷却机最大的优点之一就是热效率非常高。通过这些节能方式,可以帮助减少水泥生产对环境造成的不利影响。”如今,CP 的主要业务是用 ETA 冷却机取代现有的熟料冷却机,来提高水泥厂的效率。

瑞士 Holcim Untervaz 水泥厂的 ETA 冷却机是一台巨大的机器,几乎有半个足球场那么大。图片由 Claudius Peters 提供。

创成式设计产生令人惊讶的结果

CP 决定使用创成式设计来优化 ETA 冷却机的一个零件,该零件是重金属件,最近经过重新设计,采用传统的设计方法去除多余的材料。每台冷却机都有 50 到 60 个这样的零件,这些零件通过螺栓固定在一系列的输送轨道上,这些输送轨道用于让熔融熟料通过 ETA 冷却机。“这个铸件已经过反复优化。”CP 设计工程师 Maximilian Lerch 说,“目标是降低重量以及相关的金属成本。即使是很小的重量优化也会产生很大的影响。”

“所有的工程师聚集在电脑屏幕周围,注视着创成式设计几乎从零开始创造出经过优化的坚固零件,这真的很酷,”Lerch 继续说,“形成最佳解决方案所需的所有迭代都是由软件完成的。”

在有关创成式设计的第一个四小时研讨会结束后,团队得出了第一个结果:“我们称它为‘异形零件’。”Nagel 说,“结果出乎我们的意料,它怎么会与我们优化后的零件有这么大的不同呢?”轻了 30% 到 40%?”

创成式设计过程的初步结果是“异形零件”(右),这与原始 ETA 冷却机运输零件(左)和传统优化零件(中)截然不同。

创成式设计产生令人惊讶的结果

CP 决定使用创成式设计来优化 ETA 冷却器的一个零件,该零件是重金属件,最近经过重新设计,采用传统的设计方法去除多余的材料。每台冷却器都有 50 到 60 个这样的零件,这些零件通过螺栓固定在一系列的输送轨道上,这些输送轨道用于让熔融熟料通过 ETA 冷却器。“这个铸件已经过反复优化。”CP 设计工程师 Maximilian Lerch 说,“目标是降低重量以及相关的金属成本。即使是很小的重量优化也会产生很大的影响。”

“所有的工程师聚集在电脑屏幕周围,注视着创成式设计几乎从零开始创造出经过优化的坚固零件,这真的很酷,”Lerch 继续说,“形成最佳解决方案所需的所有迭代都是由软件完成的。”

在有关创成式设计的第一个四小时研讨会结束后,团队得出了第一个结果:“我们称它为‘异形零件’。”Nagel 说,“结果出乎我们的意料,它怎么会与我们优化后的零件有这么大的不同呢?”轻了 30% 到 40%?”

  • 在水泥生产过程中,炽热的熟料从窑中输送到 ETA 冷却机,该冷却机每天可处理 13,000 吨熟料。

  • 输送轨道让熟料通过 ETA 冷却机,在那里空气将熔融石料冷却到 100°C (212°F) 左右。

  • 每个 ETA 冷却机大约有 60 个运输零件,这些零件被放置在输送轨道上,使热熟料通过冷却机。

  • 原始运输零件(左)在 2016 年经过重新设计,并通过安装在 14 台熟料冷却器上进行了验证。

  • 新的零件设计(右)基于创成式设计,比原来的轻了 50% 以上,显著节省了材料成本和能源。

  • 效果图显示了熟料冷却器零件通过创成式设计和逆向工程迭代从原来的重型几何设计(最上面一行,最左边)开始的演变过程。

图片由 Claudius Peters 提供

传统制造适应创成式设计的零件

Claudius Peters 的工程师们对创成式设计的零件持怀疑态度,他们对“异形零件”进行了计算和有限元法分析,然后惊讶地发现,它比传统的优化版零件更高效。该团队开始分析设计,弄清楚如何制造它。“创成式设计通常利用 3D 打印或其他增材制造方法来制造产品,”Nagel 说,“我们的行业不会使用 3D 打印零件,因为它成本太高了。”但是利用创成式设计和传统优化的理念,“我们只花了一周的时间对零件进行逆向工程,这样我们就可以使用传统的制造方法来制造它。”

通过 Inventor 和 FEM 分析,该团队通过 Claudius Peters 的铸造厂测试了不同的制造方案。“我们决定从铸造零件转向激光切割板和焊接的解决方案。”Nagel 说,“我们已经让这个零件又轻了 25%,制造速度更快,成本更低。”该团队继续研究运输零件的设计方案,寻找更多的改进机会,甚至节省更多的成本。“它应该很快就能投入生产,”Nagel 继续说,“我预计这个零件将在年内在世界各地投入使用。”

焊工为新的运输零件制作原型,逆向工程使用来自创成式设计、传统设计和铸造厂的理念。

享受创成式设计的优势

CP 的创成式设计零件最终可以为公司节省大量安装每个熟料冷却机的成本。由于运输零件的重量减少了约 20 千克(44 磅),公司预计每个部件将节省约 100 欧元(113 美元),而每个冷却机中有 60 个或更多部件。此外,重量减轻意味着运输成本降低。“从我们开发的第一个原型开始,我们就相信创成式设计会帮助我们降低产品成本,并使我们更具竞争力。”Nagel 说。

创成式设计还提供了更高的可持续性。“我们可以从印度或土耳其铸造厂铸造的较重零件转变成较轻零件——我们甚至可以在这里的车间进行焊接设计。”Nagel 说,“我们节省了材料、能源、运输时间,还降低了对环境造成的其他不利影响。”

Claudius Peters 现在认为,创成式设计正在成为优化现有零件或设计新零件的标准流程。“我们在未来将找出更多能应用优化和减少材料的零件。”Nagel 说,“我们将想逐个零件看看创成式设计是否会带来同样有利的优势。”

设计工程师 Maximilian Lerch 设计出可以用传统制造方法制造的逆向工程版创成式设计零件。

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