Esettanulmány: Könnyűtengely gyártása az autóipari versenyszegmens számára
Az autóipari versenyszektor egyedi iparág, amely rendkívül szigorú és összetett követelményeket támaszt. A járművek gyakran egyedi alkatrészeket igényelnek, amelyeket kifejezetten egy-egy prototípushoz vagy rövid sorozatgyártáshoz terveznek. Ezeknek az alkatrészeknek meg kell felelniük a szigorú erősségi, merevségi és súlybeli előírásoknak, és nagyon szoros határidőkkel kell szállítani őket. Ezen kívül a járművek gyakran egyediek, és minden szezonban újratervezést igényelnek.
A szektor ezen igényes jellemzői arra utalhatnak, hogy az olyan technológiák, mint az LMD, nem jöhetnek szóba.
A hagyományos módszerek, mint a megmunkálás vagy hegesztés, korlátozottak abban, hogy hatékonyan állítsanak elő összetett geometriákat. Ez tökéletes lehetőséget teremt az innovatív megoldások, például a hibrid gyártás alkalmazásának, jelen esetben a Meltio M450 3D nyomtató technológia segítségével.
Ebben a blogbejegyzésben megnézzük, hogyan választotta Hirudi, értékesítési partnerünk, a Meltio WLM-DED technológiáját, hogy bemutassa annak potenciálját, nemcsak ebben a szektorban, hanem más iparágakban is, ahol összetett geometriákra van szükség.
TARTALOMJEGYZÉK
- Alkalmazás áttekintése: Kulcsfontosságú jellemzők és leírás
- Az alkatrész elengedhetetlen követelményei
- A hatékony alkatrészgyártás alapvető feltételei
- Fő célkitűzések
- A fázisok feltérképezése: Esettanulmány lebontása
- Alkatrész elemzése: A megfogalmazástól a létrehozásig
- A gyártás optimalizálása: Az iteratív finomítás szerepe
- A gyártási folyamat jellemzése
- Szimuláció alapú érvényesítés (FEA)
- Megmunkálás
- Lenyűgöző eredmények
- Jövőbeli lehetőségek a nagyobb hatás érdekében
- Következtetések
1. Alkalmazás áttekintése: Kulcsfontosságú jellemzők és leírás
A Meltio rendszert egy kritikus és rendkívül igényes alkatrészen tesztelték, amely a hegyvidéki versenyautó prototípus felfüggesztési rendszerének része, és Stub tengely néven ismert.
Ez az alkatrész kulcsszerepet játszik az erők átvitelében a kerék és a váz között. Ezek az erők a kerék és a talaj közötti érintkezési felületen, a felfüggesztési karokon keresztül keletkeznek, biztosítva az optimális kezelhetőséget és biztonságot.
2. Az alkatrész elengedhetetlen követelményei
A geometriai és működési feltételek alapján egy tervezési térfogatot határoztak meg, amely biztosítja a megfelelő rögzítést és az eszközök számára szükséges hozzáférhetőséget.
A fő célok az erősség, merevség és könnyűség, amelyeket iterációk révén validálnak a tervezés során. A hibrid gyártás ötvözi a hagyományos technikákat a 3D nyomtatásról szóló technológiákkal, lehetővé téve az összetett geometriák és az anyagoptimalizálás alkalmazását.
Ez a megközelítés új lehetőségeket nyit a hatékonyabb, fenntarthatóbb és fejlettebb alkatrészek számára.
3. A hatékony alkatrészgyártás alapvető feltételei
A Stub tengely hibrid gyártásra vonatkozó tervezése áttörést jelent az autóipari mérnöki lehetőségek új felfedezésében. Kezdetben a tervezés a kazánkészítési és megmunkálási folyamatokra összpontosított, kihasználva ezek előnyeit, miközben minimalizálta a korlátaikat és költségeiket.
A fejlesztés geometriai és működési feltételek keretével indult, amelyeket más járműrendszerek határoztak meg, valamint mechanikai erősségi követelményekkel és merevségi, könnyűségi célkitűzésekkel. Ezek a geometriai és működési feltételek határozzák meg a tervezés térfogatát, megállapítják az alkatrészek más komponensekhez való rögzítési pontjait, és biztosítják az eszközök és az alkatrész beszereléséhez szükséges hozzáférhetőséget.
A mechanikai követelmények teljesítése iteratív folyamatot igényel a szilárdsági és merevségi kritériumoknak való megfelelés ellenőrzésére, biztosítva, hogy az alkatrész minden funkcionális és struktúrális igényt kielégítsen.
4. Fő célkitűzések
A projekt célja az volt, hogy felfedezze a hibrid gyártás (additív + subtractív) koncepciójának lehetőségeit olyan alkatrészek esetében, amelyek bizonyos jelentőséggel bírnak az ipari szövetben.
Könnyű, mégis erős kialakítás elérése: A Meltio rendszer potenciáljának kihasználása geometriai kihívások megoldására és egy merev, könnyű alkatrész tervezésére.
Hulladék és megmunkálási idő csökkentése: A költségek csökkentése az SLM alternatívához képest, miközben javítjuk a metallurgiai minőséget, és fenntartjuk a bizonyos geometriai összetettséget.
Korlátozások minimalizálása: A szállítási idő és a költségek csökkentése más gyártási folyamatokhoz képest.
5. A fázisok feltérképezése: Esettanulmány lebontása
A tervezési folyamat a Meltio M450 rendszer által előírt feltételek megértésével kezdődik, amelyek meghatározzák az additív gyártási és a későbbi megmunkálási folyamatokat. Ezeket a feltételeket két fő típusba lehet sorolni:
1. Munka térfogat korlátozások:
A munkadarab fizikai mérete a rendszer maximális munkaterjedelme, amely 150 × 200 × 450 mm-re van korlátozva. Ez a korlátozás közvetlen hatással van arra, hogy mekkora alkatrész állítható elő.
2. Tervezési irányelvek az optimális nyomtatás érdekében:
A Meltio M450 rendszer különböző geometriai jellemzőkhöz ajánlott értékeket tartalmaz, hogy biztosítsa az optimális nyomtatási minőséget. Ezek az irányelvek a tervezési elemek legjobb gyakorlatait határozzák meg, például a falvastagságot, a túlnyúlásokat és az alátámasztás nélküli jellemzőket, amelyek hozzájárulnak a nyomtatott alkatrész stabilitásához és integritásához.
Ezeknek az irányelveknek a gondos tanulmányozásával a tervezők biztosíthatják, hogy az elkészített alkatrészek összhangban legyenek a Meltio M450 képességeivel és korlátaival, így hatékony és kiváló minőségű gyártási eredményeket érhetnek el.
TIPP: Fedezze fel 3D nyomtatási irányelveinket a Meltio Tervezési Irányelvek letöltésével.
5.1 Alkatrész elemzése: A megfogalmazástól a létrehozásig
A Stub tengely tervezése a funkcionális és gyártási követelményeket meghatározó tényezők elemzésével kezdődött.
A folyamat azzal indult, hogy a tervezést a Meltio additív gyártási képességeihez és a későbbi megmunkálás igényeihez igazították. A Stub tengely geometriája olyan elemeket tartalmaz, amelyek hatékonyan képesek elnyelni és továbbítani a külső terheléseket (csapágyak, gömbcsuklós csapágyak, csavaros kötésekkel ellátott elemek stb.), valamint egy sor más geometriai elemet, amelyek célja, hogy átadják a terhelést.
Az önállóan támogatható geometriák kerültek előtérbe, hogy minimalizálják a nyomtatás során szükséges további támogatások igényét, csökkentve ezzel az anyagfelhasználást és a gyártási időt. A Meltio rendszer használatával a tervezés maximalizálja a mechanikai hatékonyságot az anyagok elhelyezésének optimalizálásával, különösen a nagy igénybevételű területeken.
Ez a megközelítés biztosítja a mechanikai hatékonyságot, növeli a tartósságot és csökkenti a hulladékot.
5.2 A gyártás optimalizálása: Az iteratív finomítás szerepe
A csapat több iterációs ciklus során finomította az alkatrész tervezését, fókuszálva olyan kulcsfontosságú tényezőkre, mint a falvastagság, túlnyúlás szögei és az anyagsűrűség, hogy megfeleljenek mind a teljesítmény-, mind a gyárthatósági céloknak. A CAD modellbe beépítettek támogató struktúrákat a megmunkálási erőfeszítések és az anyagfelhasználás minimalizálása érdekében, így a kihívást jelentő területek önállóan támogathatóvá váltak, és elkerülhetővé váltak a nagy külső támasztékok.
A gyártás során a folyamat paramétereit finomhangolták, hogy optimalizálják a beállításokat és csökkentsék a geometriai korlátozásokat. Az alkatrészt olyan fragmensekre osztották, amelyek figyelembe vették a gyártást befolyásoló kritikus jellemzőket.
Az alkatrész fragmensekre bontása a gyártást befolyásoló kulcsfontosságú geometriai jellemzők alapján történt:
• A szigetelt felületi szakaszok mérete (szigetek): A paramétereket finomhangolták, hogy szabályozzák az energia- és anyagáramlást a felületen, megelőzve a túlmelegedést a nyomtatás során.
• Túlnyúlási szög: Az állítások biztosították a stabilitást és a pontosságot azokon a területeken, ahol jelentős túlnyúlások voltak.
• Útvonal átfedés: Az útvonalak átfedésének optimalizálása biztosította a megfelelő anyag-összesűrítést a szerkezeti integritás érdekében.
Minden egyes fragmentet gondosan integráltak, ami egy sima és erős végső alkatrészt eredményezett.
5.3 A gyártási folyamat jellemzése
A végrehajtott tesztek eredményei az alábbi rétegezett konfigurációt adták. Az alkatrész minden egyes szakasza egy különböző folyamatot képvisel, ahol olyan változókat állítottak be, mint a rétegvastagság, a peremek száma, az energiadepozíció és a hozzájárulási arány.
A kísérletek számos paraméter határait feszegették, beleértve a karosszériák szögeit, a falvastagságokat és a minimálisan gyártható keresztmetszeteket. Ez a megközelítés segített azonosítani azokat a korlátozásokat, amelyeket a tervezőcsapatnak kezelnie kellett a sikeres gyártás biztosítása érdekében.
Miután ezeket a határokat azonosították, elvégezték a szükséges tervezési módosításokat. Ezt követően a teljes méretű gyártás a tesztekből származó empirikus eredmények alapján zajlott.
Ráadásul a hibrid megközelítés lehetővé tette olyan összetett geometriák elkészítését, amelyeket hagyományos módszerekkel nehéz vagy lehetetlen lett volna elérni. Ez a képesség nemcsak a Meltio rendszer sokoldalúságát emeli ki, hanem annak skálázhatóságát is széleskörű alkalmazásokhoz.
5.4 Szimuláció alapú érvényesítés (FEA)
A Végeselem-elemzés (FEA) elengedhetetlen eszköz a nagy sebességű versenyalkatrészek tervezésében, mivel lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy szimulálják a valós körülményeket, és a tervezést érvényesítsék a keresztirányú és hosszirányú terhelésekkel szemben a gyártás előtt.
Minden egyes tervezési iterációt FEA-val tesztelnek, hogy biztosítsák a mechanikai integritást, még akkor is, ha a módosítások az alkatrész specifikus területeire összpontosítanak. Azonban az egész alkatrészt újra kell tervezni egy átfogó elemzéshez, hogy biztosítsák, hogy minden alkatrész megfeleljen a szükséges teljesítményi előírásoknak.
A kiválasztott anyag, az ER70S6 lágy acél, kiváló hegeszthetősége és könnyű megmunkálhatósága miatt került választásra, így ideális a nagy pontosságú, teljesítményorientált alkalmazásokhoz. Hálós konvergencia tanulmányt végeznek, hogy meghatározzák az optimális elemméretet, amely pontosan rögzíti a modell összetett geometriáját, miközben biztosítja a hatékony szimulációkat.
TIPP: Töltse le a Meltio anyagok nyomtatható listáját.
• Keresztirányú terhelési eset és hosszirányú fékezési terhelések
A legfontosabb terhelési esetek az elemzésben a keresztirányú és a hosszirányú fékezési terhelések.
A keresztirányú terhelési eset egy 2G keresztirányú gyorsulást szimulál, miközben biztonsági tényezőket alkalmaznak mind a vízszintes, mind a függőleges terhelésekre, hogy megvédjék a felfüggesztési rendszert, ugyanakkor lehetővé tegyék, hogy a felfüggesztési karok túlzott terhelés alatt meghajoljanak.
• A hosszirányú fékezési terhelési eset
A 2,5G fékezési gyorsuláson alapuló hosszirányú fékezési terhelési eset magában foglalja a függőleges és vízszintes erőket is, amelyekre megfelelő biztonsági tényezőket alkalmaznak.
(Az elemzés nem veszi figyelembe az olyan kiegészítő komponenseket, mint a csapágyak és csuklós kötéseket, amelyek további merevséget biztosítanak a tényleges rendszerben. Összességében az FEA biztosítja, hogy az alkatrészek képesek legyenek megfelelni a nagy sebességű versenyzés extrém követelményeinek, miközben megőrzik a biztonságot és a teljesítményt.)
6. Megmunkálás
A megmunkálási folyamat végig jelen volt a tervezési fejlesztés során a rá kivetett korlátozások miatt. Csak miután a fejlesztés befejeződött, készültek el a gyártási tervek a megmunkálás végrehajtásához. A megmunkálandó alkatrészeket azokra a területekre korlátozták, ahol a kereskedelmi alkatrészeket összeszerelik, valamint azokra a területekre, ahol a tervezési fázis során támogatásokat adtak hozzá.
7. Lenyűgöző eredmények
A Meltio hibrid folyamat eredményei sokat elmondanak annak potenciáljáról:
Súlycsökkentés Az alkatrész súlya lenyűgöző módon 62,5%-kal csökkent a hagyományos megmunkáláshoz képest. | Költségmegtakarítás A gyártási költségek 35,7%-os csökkentését érték el az anyagfelhasználás és a megmunkálási idő csökkentésével. |
Gyorsabb szállítás A gyártási határidők 33%-kal csökkentek, jelentős előnyt biztosítva a versenyképes környezetekben. | Összetett geometriák egyszerűsítése A hibrid megközelítés lehetővé tette egy olyan összetett geometria elkészítését, amelyet hagyományos módszerekkel nehéz vagy lehetetlen lett volna előállítani. |
Ez a fejlődés nemcsak a Meltio rendszerének rugalmasságát hangsúlyozza, hanem annak skálázhatóságát is szélesebb körű alkalmazásokhoz.
8. Jövőbeli lehetőségek a nagyobb hatás érdekében
Titán alkalmazások: A titán használata a Meltio folyamatban tovább csökkenthetné a súlyt és a megmunkálási költségeket, különösen a nagy teljesítményű alkalmazások esetében.
Robotikus integráció: A Meltio Engine Robot használatával növelhetnénk a geometriai szabadságot, lehetővé téve még nagyobb anyagoptimalizálást és tervezési rugalmasságot. Ez az integráció utat nyithat az autonóm, nagyszabású gyártás előtt, amely az autóipari szektorra és más iparágakra szabott.
9. Következtetések
A projekt célja az volt, hogy bemutassa, miként képes a Meltio rendszer kielégíteni az alkatrész összetett követelményeit, miközben csökkenti a gyártási költségeket és időt. Az additív és szubtraktív technikák erősségeinek kombinálásával könnyű, nagy teljesítményű alkatrészeket szállított gyorsabban és költséghatékonyabban.
A gyártást egyszerűsítettük, kezeljük az összetett geometriákat, javítottuk a teljesítményt és maximálisan kihasználtuk a Meltio additív gyártás előnyeit.
A 3-tengelyes LMD rendszer geometriai korlátait túlléptük, lehetővé téve, hogy a technológia új piacokra lépjen be. A Meltio háromtengelyes rendszere teljes mértékben érvényesnek bizonyult könnyűsúlyú szerkezeti alkatrészek gyártásához.
A MELTIO 3D nyomtatási technológia kizárólagos forgalmazója Magyarországon a Büttner Kft.
További információ: www.buttner.hu, e-mail: meltio@buttner.hu