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Claudius Peters

重型設備製造商使衍生式設計符合實際應用

未來智造

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相片由 LimbForge 提供

新的產品開發技術使一家擁有 100 年歷史的公司得以為未來智造做好準備。

擁有 113 年歷史的散裝材料加工設備製造商 Claudius Peters 正在歷經轉型,以成為 21 世紀的一家數位化公司。衍生式設計為產品設計和最佳化提供了一種全新的進展方式,因此是公司遊戲規則的改變者。透過將此技術(通常與 3D 列印有關)應用於傳統製造方法,該公司正在為價格敏感的工業市場製造更具成本效益的產品。在重工業領域應用衍生式設計有助於降低材料、能源成本和交付週期,從而使 Claudius Peters 在轉型期間更具競爭力。

一家老牌公司正式地擁抱變革

德國製造商 Claudius Peters 舉例說明了「重工業」一詞:該公司為水泥、鋼鐵、石膏和鋁工業生產大型工業機械和加工廠。「我們是處理散裝材料的專家」,Claudius Peters(CP)營運總監 Thomas Nagel 說道。除了位於德國漢堡附近的總部外,該公司還在美洲、歐洲和亞洲設有 12 個區域辦公室。

CP 成立於 1906年,並負責製造大量資本密集型工業產品 - 如:輸送機、筒倉、研磨機 - 已有 100 多年的歷史。但作為數位長,Nagel 並沒有堅持其悠久的歷史,而是幫助該公司樹立其在數位創新領域作為全球領導者的聲譽。Claudius Peters 於 2014 年展開了一項創新之旅,旨在改善與成本、品質、交付速度和顧客滿意度相關的業務成果。但該公司意識到在 21 世紀保持競爭力不僅需要採用新式軟體。2018 年,CP 開始進一步轉型為一家機敏公司。這需要新的數位技能和專注於設計思考、實驗和迭代的企業文化。

Claudius Peters 的營運總監兼數位長 Thomas Nagel,位於該公司在德國漢堡附近的 Buxtehude 總部。

創新之旅就此展開

與 Autodesk 等技術合作夥伴合作是 Claudius Peters 展開創新之旅的關鍵。CP 採用了新式工具,包括 BIM 360(英文),並將其用於連接銷售、工程、設計、製造和裝配等過程。該公司還發現了將 Inventor (英文)和有限元素分析法(FEM)用於分析簡化製造流程的新方法。為了安裝其機器設備,CP 開始使用 ReCap (英文)和 Navisworks (英文)的 3D 現實捕捉掃描技術在顧客設施捕捉資料,然後快速地將檔案交給德國的工程和設計團隊。「這表示我們能夠更快地完成工作、提高品質和降低成本,從而提高顧客滿意度」,Nagel 說道,

「但我們的創新並不僅止於此」,他補充道。受到 Fusion 360 (英文)對衍生式設計進行演示的啟發,Nagel 為 CP 團隊設立了一個為期四小時的研討會,以了解此一新興技術。

Autodesk 衍生式設計(英文)軟體可接受使用者輸入設計目標和限制條件,並探索設計解決方案的可能序列,以快速生成數十種可供選擇的選項。在嘗試了幾個通用部件後,該團隊決定嘗試使用衍生式設計來優化 CP 用於水泥產業的核心產品之一 - 熟料冷卻機。

Nagel(右)與 Claudius Peters 團隊一起回顧了現有熟料冷卻器的零件設計。

什麼是熟料冷卻器?

水泥工業從一開始就是 Claudius Peters 的中流砥柱。水泥製造商將碎石混合並在窯中加熱至 1,450°C(2,640°F),以將其熔化成俗稱為「熟料」的大理石塊狀物。熾熱的熟料被排放到熟料冷卻器,即一台 50 公尺 × 25 公尺(164×82 英尺)的大型機器。當熟料通過冷卻器時,空氣將熟料冷卻至約 100°C(212°F)。然後將其研磨並與其他成分混合,以形成水泥。

CP 在 1950 年代初開始向該產業供應熟料冷卻器,並在未來 60 年內生產了 700 多台冷卻器。但熟料生產會消耗大量能源,從而使水泥產業成為世界最大的二氧化碳排放工業之一。

在 21 世紀初期,CP 開始開發一種旨在節約能源的新一代熟料冷卻器:ETA 冷卻器。其以希臘符號「η」(「eta」)命名,表示能效。「我們的 ETA 冷卻器的最大好處之一就是其出色的熱效率」,Nagel 說道。「這些節能功效有助於減少水泥生產對環境造成的負面影響。」 今天,CP 的主要業務是用 ETA 冷卻器取代現有的熟料冷卻器,以提高水泥廠的效率。

瑞士 Holcim Untervaz 水泥廠的 ETA 冷卻器是一台巨大的機器,幾乎是足球場的一半。由 Claudius Peters 提供。

衍生式設計產生令人訝異的結果

CP 決定採用衍生式設計來優化 ETA Cooler 的零件 - 這是一種重金屬零件,其在最近經過重新設計,採用傳統設計方法去除多餘材料。每個冷卻器都有 50 到 60 個相關零件,這些零件可透過螺栓連接在一系列輸送通道上,這些輸送通道則將熔化的熟料移動通過 ETA 冷卻器。「這塊鑄件經過一次又一次的優化」,CP 的設計工程師 Maximilian Lerch 說道。「其目標是降低重量和金屬的相關成本。即使是些微的重量優化也會產生很大的影響。

「看著所有工程師聚集在電腦螢幕周圍,觀看衍生式設計在幾乎沒有任何投入任何心力的情況下,只透過輸入一些限制條件就能創造一個經過優化、強大的零件,這真的很酷」,Lerch 繼續道。「獲得最佳解決方案所需的所有迭代都由軟體完成。」

在第一場為期四小時的衍生式設計階段之後,該團隊獲得了第一個結果:「我們稱之為'外星零件'」Nagel 說道。「結果讓我們感到驚訝 - 它與我們的優化零件有什麼不同?重量減輕 30% 到 40%?」

衍生式設計過程的第一個結果導致了「外星零件」(右),它與原始的 ETA Cooler 運輸零件(左)和傳統的優化零件(中間)完全不同。

衍生式設計產生令人訝異的結果

CP 決定採用衍生式設計來優化 ETA Cooler 的零件 - 這是一種重金屬零件,其在最近經過重新設計,採用傳統設計方法去除多餘材料。每個冷卻器都有 50 到 60 個相關零件,這些零件可透過螺栓連接在一系列輸送通道上,這些輸送通道則將熔化的熟料移動通過 ETA 冷卻器。「這塊鑄件經過一次又一次的優化」,CP 的設計工程師 Maximilian Lerch 說道。「其目標是降低重量和金屬的相關成本。即使是些微的重量優化也會產生很大的影響。

「看著所有工程師聚集在電腦螢幕周圍,觀看衍生式設計在幾乎沒有任何投入任何心力的情況下,只透過輸入一些限制條件就能創造一個經過優化、強大的零件,這真的很酷」,Lerch 繼續道。「獲得最佳解決方案所需的所有迭代都由軟體完成。」

在第一場為期四小時的衍生式設計階段之後,該團隊獲得了第一個結果:「我們稱之為'外星零件'」Nagel 說道。「結果讓我們感到驚訝 - 它與我們的優化零件有什麼不同?重量減輕 30% 到 40%?」

  • 在水泥生產過程中,紅熱熟料從窯轉移到 ETA 冷卻器,ETA 冷卻器每天可處理多達 13,000 公噸的熟料。

  • 輸送通道將熟料移動通過 ETA 冷卻器,在那裡空氣將熔融的岩石冷卻到大約 100°C(212°F)。

  • 每個 ETA 冷卻器都有大約 60 個運輸零件,這些零件放置在輸送通道上,以便將炙熱熟料移動通過冷卻器。

  • 原始的運輸零件(左)在 2016 年進行了重新設計,並已在 14 個熟料冷卻器中完成安裝和驗證。

  • 根據衍生式設計生產出來的新式零件設計(右)比原始設計重量減輕 50% 以上 - 大大節省了材料成本和所需能源。

  • 安裝效果圖顯示熟料冷卻器零件從原始的重型幾何設計(頂行,最左側)經過衍生式設計和逆向工程迭代的演變過程。

圖片由 Claudius Peters 提供

將衍生式設計用於傳統製造

Claudius Peters 持懷疑態度的工程師對「外星零件」進行了計算和 FEM 分析,並驚訝地發現它比傳統經過優化的零件更加有效。該團隊開始分析設計,以找出如何製造它的方法。「衍生式設計通常運用 3D 列印或其他增材製造方法來製造產品」,Nagel 說道。「我們這一產業不會使用 3D 列印零件 - 這樣做太貴了。」 但是,運用來自衍生式設計和傳統優化的想法,「我們只花了一周的時間來對零件進行逆向工程,因此我們可以使用傳統的製造方法來製造它。」

透過 Inventor 和 FEM 分析,該團隊使用 Claudius Peters 的鑄造廠測試了各種不同的製造解決方案。「我們決定從鑄造零件轉而採用雷射切割板和焊接的解決方案」,Nagel 說道。「我們使該零件的重量減輕了 25%,製造速度更快,成本更高。」 該團隊持續研究運輸零件的設計選項,以尋找更多改進機會,甚至節省更多成本。「它應該很快就會投入生產」,Nagel 繼續說道。「我預計此一零件將在一年內在世界某個地方投入使用。」

焊工運用衍生式設計、傳統設計和鑄造廠的想法進行逆向工程,並製造出新式運輸零件的原型。

收穫衍生式設計的好處

CP 採用衍生式設計生產出來的零件,最終可為公司在其安裝的每個熟料冷卻器上省下大量資金。隨著運輸零件的重量減少約 20 公斤(44磅),該公司預計每個零件約可省下 100 歐元(113 美元),而每個冷卻器則可增加 60 個以上的零件。此外,重量減輕更表示運輸成本降低。「從我們開發的第一個原型開始,我們相信衍生式設計將幫助我們為產品帶來更高的成本效益,並使我們更具競爭力」,Nagel 說道。

此外,衍生式設計也帶來更大的可持續性。「我們可以將印度或土耳其鑄造廠出產的較重零件移轉成較輕零件 - 我們甚至可以在我們的車間進行焊接設計」,Nagel 說道。「我們不僅節省了材料、能源和運輸時間,更減少對環境產生的其他負面影響。」

衍生式設計現正成為優化現有零件或設計新式零件的標準流程,而 Claudius Peters 正處於此一境地。「我們將在未來找出更多可以應用優化和材料縮減的零件」,Nagel 說道。「我們將對各個零件逐一嘗試,看看衍生式設計是否會帶來相同的正面效益。」

設計工程師 Maximilian Lerch 對可透過傳統製造方法製造的衍生設計零件進行逆向工程。

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