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Claudius Peters

重型設備制造商實現創成式設計落地

顛覆制造行業未來格局

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圖片由 LimbForge 提供

新產品開發技術助力百年老牌公司迎接未來制造

Claudius Peters 是一家擁有 113 年悠久歷史的散裝材料加工設備制造商,目前正在向一家面向 21 世紀的數字公司轉型。創成式設計讓這家公司實現徹底轉變,為產品設計和優化提供了一種全新方式。這項技術通常與 3D 打印有關,這家公司通過將這項技術應用于傳統制造方法,正在為價格敏感的工業市場生產更具成本效益的產品。重工業創成式設計有助于減少材料、削減能源成本和縮短交貨期,讓 Claudius Peters 在不斷變化的時代更具競爭力。

一家老牌公司擁抱變革

德國制造商 Claudius Peters 是“重工業”的代名詞:公司為水泥、鋼鐵、石膏和鋁工業生產大型工業機械和加工設備。Claudius Peters (CP) 運營總監 Thomas Nagel 表示:“我們是處理散裝材料的專家。”除了德國漢堡附近的總部外,公司在美洲、歐洲和亞洲設有 12 家地區辦事處。

CP 成立于 1906 年,生產大型資本密集型工業產品(輸送機、料倉、研磨機)已經 100 多年。但是,Nagel作為首席數字官并沒有墨守成規,而是正在幫助公司樹立作為全球數字創新領導者的聲譽。Claudius Peters 在 2014 年發起一場創新之旅,目標是改善與成本、質量、交付速度和客戶滿意度相關的業務成果。但公司意識到,要想在 21 世紀保持競爭力,需要的不僅僅是新軟件。2018 年,CP 開始進一步轉型為一家敏捷公司,這需要新的數字技能和以設計思維、實驗和迭代為主的文化。

Thomas Nagel 是 Claudius Peters 公司的運營總監兼首席數字官,他在公司位于漢堡附近的德國總部 Buxtehude 工作。

創新之旅啟程

與 Autodesk 等技術合作伙伴合作,一直是 Claudius Peters 創新之旅的關鍵。CP 采用包括 BIM 360 (英文) 在內的新工具,將銷售、工程、設計、制造和裝配過程相互連通。公司還利用 Inventor 和有限元法 (FEM) 分析找到了簡化制造過程的新方法。為了安裝這些機器,CP 開始使用帶有 ReCap (英文) 和 Navisworks 的 3D 現實捕捉掃描技術,在客戶設施中捕捉數據,然后迅速將這些文件交給德國的工程和設計團隊。“這意味著我們的工作速度更快,質量更高,成本更低,從而帶來更高的客戶滿意度。”Nagel 說,

“但我們的創新并未止步于此。”他又說道。受 Fusion 360 中的創成式設計演示啟發,Nagel 舉行了一場四小時的研討會,讓 CP 團隊了解這一新興技術。

Autodesk 創成式設計 (英文)軟件采用設計目標和限制,探索設計解決方案可能變換的形式,快速生成數十個可供選擇的方案。在對一些通用零件進行試驗后,團隊決定嘗試使用創成式設計來優化 CP 一種水泥工業核心產品(熟料冷卻器)的零件。

Nagel(右)與 Claudius Peters 團隊一起查看現有熟料冷卻器零件的設計。

什么是熟料冷卻機?

水泥工業最早一直就是 Claudius Peters 的支柱市場。水泥制造商將碎石混合在一起,在窯中加熱到 1,450°C (2,640°F),將其熔合成大理石大小的塊狀物,稱為“熟料”。熾熱的熟料被排放到熟料冷卻機中,熟料冷卻機是 50×25 米(164×82 英尺)的大型機器。當熟料經過冷卻機時,空氣會使熟料冷卻到 100°C (212°F) 左右。然后熟料被磨碎,與其他原料混合,形成水泥。

CP 從 20 世紀 50 年代初開始向該行業供應熟料冷卻機,在接下來的 60 年里生產了超過 700 臺冷卻機。但熟料生產消耗大量能源,使水泥工業成為世界上二氧化碳排量最高的行業之一。

21 世紀初,CP 開始開發可節約能源的新一代熟料冷卻機:ETA 冷卻機,以希臘符號“η”(“eta”)命名,該符號表示能源效率。Nagel 表示:“我們 ETA 冷卻機最大的優點之一就是熱效率非常高。通過這些節能方式,可以幫助減少水泥生產對環境造成的不利影響。”如今,CP 的主要業務是用 ETA 冷卻機取代現有的熟料冷卻機,來提高水泥廠的效率。

瑞士 Holcim Untervaz 水泥廠的 ETA 冷卻機是一臺巨大的機器,幾乎有半個足球場那么大。圖片由 Claudius Peters 提供。

創成式設計產生令人驚訝的結果

CP 決定使用創成式設計來優化 ETA 冷卻機的一個零件,該零件是重金屬件,最近經過重新設計,采用傳統的設計方法去除多余的材料。每臺冷卻機都有 50 到 60 個這樣的零件,這些零件通過螺栓固定在一系列的輸送軌道上,這些輸送軌道用于讓熔融熟料通過 ETA 冷卻機。“這個鑄件已經過反復優化。”CP 設計工程師 Maximilian Lerch 說,“目標是降低重量以及相關的金屬成本。即使是很小的重量優化也會產生很大的影響。”

“所有的工程師聚集在電腦屏幕周圍,注視著創成式設計幾乎從零開始創造出經過優化的堅固零件,這真的很酷,”Lerch 繼續說,“形成最佳解決方案所需的所有迭代都是由軟件完成的。”

在有關創成式設計的第一個四小時研討會結束后,團隊得出了第一個結果:“我們稱它為‘異形零件’。”Nagel 說,“結果出乎我們的意料,它怎么會與我們優化后的零件有這么大的不同呢?”輕了 30% 到 40%?”

創成式設計過程的初步結果是“異形零件”(右),這與原始 ETA 冷卻機運輸零件(左)和傳統優化零件(中)截然不同。

創成式設計產生令人驚訝的結果

CP 決定使用創成式設計來優化 ETA 冷卻器的一個零件,該零件是重金屬件,最近經過重新設計,采用傳統的設計方法去除多余的材料。每臺冷卻器都有 50 到 60 個這樣的零件,這些零件通過螺栓固定在一系列的輸送軌道上,這些輸送軌道用于讓熔融熟料通過 ETA 冷卻器。“這個鑄件已經過反復優化。”CP 設計工程師 Maximilian Lerch 說,“目標是降低重量以及相關的金屬成本。即使是很小的重量優化也會產生很大的影響。”

“所有的工程師聚集在電腦屏幕周圍,注視著創成式設計幾乎從零開始創造出經過優化的堅固零件,這真的很酷,”Lerch 繼續說,“形成最佳解決方案所需的所有迭代都是由軟件完成的。”

在有關創成式設計的第一個四小時研討會結束后,團隊得出了第一個結果:“我們稱它為‘異形零件’。”Nagel 說,“結果出乎我們的意料,它怎么會與我們優化后的零件有這么大的不同呢?”輕了 30% 到 40%?”

  • 在水泥生產過程中,熾熱的熟料從窯中輸送到 ETA 冷卻機,該冷卻機每天可處理 13,000 噸熟料。

  • 輸送軌道讓熟料通過 ETA 冷卻機,在那里空氣將熔融石料冷卻到 100°C (212°F) 左右。

  • 每個 ETA 冷卻機大約有 60 個運輸零件,這些零件被放置在輸送軌道上,使熱熟料通過冷卻機。

  • 原始運輸零件(左)在 2016 年經過重新設計,并通過安裝在 14 臺熟料冷卻器上進行了驗證。

  • 新的零件設計(右)基于創成式設計,比原來的輕了 50% 以上,顯著節省了材料成本和能源。

  • 效果圖顯示了熟料冷卻器零件通過創成式設計和逆向工程迭代從原來的重型幾何設計(最上面一行,最左邊)開始的演變過程。

圖片由 Claudius Peters 提供

傳統制造適應創成式設計的零件

Claudius Peters 的工程師們對創成式設計的零件持懷疑態度,他們對“異形零件”進行了計算和有限元法分析,然后驚訝地發現,它比傳統的優化版零件更高效。該團隊開始分析設計,弄清楚如何制造它。“創成式設計通常利用 3D 打印或其他增材制造方法來制造產品,”Nagel 說,“我們的行業不會使用 3D 打印零件,因為它成本太高了。”但是利用創成式設計和傳統優化的理念,“我們只花了一周的時間對零件進行逆向工程,這樣我們就可以使用傳統的制造方法來制造它。”

通過 Inventor 和 FEM 分析,該團隊通過 Claudius Peters 的鑄造廠測試了不同的制造方案。“我們決定從鑄造零件轉向激光切割板和焊接的解決方案。”Nagel 說,“我們已經讓這個零件又輕了 25%,制造速度更快,成本更低。”該團隊繼續研究運輸零件的設計方案,尋找更多的改進機會,甚至節省更多的成本。“它應該很快就能投入生產,”Nagel 繼續說,“我預計這個零件將在年內在世界各地投入使用。”

焊工為新的運輸零件制作原型,逆向工程使用來自創成式設計、傳統設計和鑄造廠的理念。

享受創成式設計的優勢

CP 的創成式設計零件最終可以為公司節省大量安裝每個熟料冷卻機的成本。由于運輸零件的重量減少了約 20 千克(44 磅),公司預計每個部件將節省約 100 歐元(113 美元),而每個冷卻機中有 60 個或更多部件。此外,重量減輕意味著運輸成本降低。“從我們開發的第一個原型開始,我們就相信創成式設計會幫助我們降低產品成本,并使我們更具競爭力。”Nagel 說。

創成式設計還提供了更高的可持續性。“我們可以從印度或土耳其鑄造廠鑄造的較重零件轉變成較輕零件——我們甚至可以在這里的車間進行焊接設計。”Nagel 說,“我們節省了材料、能源、運輸時間,還降低了對環境造成的其他不利影響。”

Claudius Peters 現在認為,創成式設計正在成為優化現有零件或設計新零件的標準流程。“我們在未來將找出更多能應用優化和減少材料的零件。”Nagel 說,“我們將想逐個零件看看創成式設計是否會帶來同樣有利的優勢。”

設計工程師 Maximilian Lerch 設計出可以用傳統制造方法制造的逆向工程版創成式設計零件。

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