Fémnyomtatott csonkállvány generatív módszerrel történő tervezése és gyártása

Napjainkban kiemelt figyelmet kap a tömegcsökkentés a járműfejlesztések során, és ez fokozottan igaz a motorsportra. A mérnökök sokszor grammokért küzdenek, hogy a járművük menetdinamikai tulajdonságait tovább javítsák, és ezzel értékes másodperceket nyerjenek a versenypályán. A rohamosan fejlődő technológia pedig újabb és újabb kapukat nyit meg e cél felé. Alábbi összeállításunkban a Knorr-Bremse Vasúti Jármű Rendszerek Hungária Kft. és az Arrabona Racing Team együttműködésében megvalósult 3D fémnyomtató segítségével készült csonkállvány tanulmányát közöljük.

A Knorr-Bremse Vasúti Jármű Rendszerek Hungária Kft. azon kevés vállalat közé tartozik Magyarországon, ahol 3D fémnyomtató berendezés működik. Az eszköz képes 10-60 mikron méretű, azaz az emberi hajnál is vékonyabb alumíniumporból alkatrészeket építeni lézersugár segítségével. Több száz munkaórányi tapasztalatukból kiindulva a Knorr-Bremse szakemberei most egy különleges projekt keretében egy versenyautó csonkállványait, valamint több anyagvizsgálati próbapálcát bocsátottak a győri Arrabona Racing Team rendelkezésére. A csapat tagjai egyetemi hallgatók, akik 2014 óta fejlesztenek és építenek minden évben saját versenyautót, hogy a Formula Student bajnokság keretein belül összemérjék tudásukat a világ legrangosabb műszaki egyetemeivel.

Cikkünkben egy futóműelem, a csonkállvány tömegoptimalizációján keresztül mutatjuk be, mekkora lehetőség rejlik a jelenleg elérhető leginnovatívabb tervezési és gyártási módszerek párosításában. A tervezés folyamata generatív módszerrel történt, amelynek alapja egy iterációkból álló végeselemes szimuláció, azonban az eredmények további javítása érdekében a szoftver ezt gépi tanulással és mesterséges intelligenciával kombinálja. „Ennél a metódusnál az előkészítés kapja a főszerepet: definiálni kell minden olyan tényezőt, ami a későbbiekben meghatározza majd az alkatrész geometriáját, vagy bármilyen formában kihatással lehet rá. Ide tartozik például az anyag-, illetve a megmunkálási technológiák kiválasztása, ahol lehetőség van akár több opciót is megadni, majd a generatív szimuláció során a program automatikusan válogatja össze ezeket a legoptimálisabb eredmény eléréséhez” - magyarázza Pusztay Bence, az Arrabona Racing Team mérnöke.

A legkötetlenebb geometriák és ebből eredően a legkisebb tömeg 3D nyomtatással érhető el. Ez már különböző fémek esetében is egy létező megoldás, segítségével lehetőség nyílik funkcionális alkatrészek gyártására. Az előkészületek során kiemelt fontossággal bírnak a védett, illetve akadálygeometriák. A modellek felépítését a szoftver végzi, azonban tudnia kell, hogy melyek azok a geometriák, amelyeket mindenképpen tartalmaznia

kell a végleges alkatrésznek (rögzítési pontok, csatlakozó felületek stb.), illetve hová nem építkezhet például a csatlakozó alkatrészek miatt.

A fenti képeken áttetsző sárga színnel látható az egyik korábbi csonkállvány, zölddel a definiált védett geometriák (bekötési pontok, csapágyhelyek stb.), illetve pirossal ugyanezen alkatrész akadálygeometriái (kerékagy, lengőkarok stb.).

A védett geometriákra lehet a későbbiekben megadni a strukturális kényszereket, illetve a lehetséges terhelési eseteket, amelyeket figyelembe véve olyan eredményeket generál majd az algoritmus, hogy a végleges alkatrész mindegyikkel szemben károsodás nélkül ellenálljon. A csonkállványok esetében alkatrészenként 5 különböző terhelést modelleztek a projekt során, amelyek a különböző futóműerőkből, kormányzásból és a fékezésből eredő erőket képezték le. Ezeknek az erőknek a meghatározása jellemzően szimuláció segítségével vagy az autón végzett konkrét mérésekkel történt. A fenti tényezők megadása után a generatív szimuláció futtatása volt a következő lépés, amely a kezdeti beállításoktól függően hozzávetőlegesen 10-15 opcionális modellt eredményezett. Ezek különböző szempontok alapján összehasonlíthatók, szükség esetén szabadon módosíthatók, hogy az esetlegesen fennmaradó feszültségcsúcsokat manuálisan redukálni lehessen.

Az itt bemutatott esetben a legjobb tulajdonságokkal a 3D nyomtatott alumínium (AlSi 10

Mg) megoldás rendelkezett, így a munka annak a modellnek az ellenőrzésével, utómunkálásával folytatódott.

A képen egy kanyarbejárat során fellépő erők okozta feszültségeloszlás látható, amely egy utólagos végeselemes szimuláció eredménye. Ellenőrzésképpen az összes terhelési esetre külön szimuláció készült, ahol az előre eltervezett feszültségcsúcsok, illetve a homogén feszültségeloszlás árulkodott a ge - neratív módszer sikerességéről. Az első csonkállvány végleges tömege darabonként mindösszesen 186 gramm lett, amely 29%-os tömegcsökkenést jelent a mart elődjéhez képest. A generatív módszerrel tervezett hátsó csonkállványok tömege pedig egyenként 202 gramm, amely 41%-kal könnyebb a korábban használ alkatrésznél.

„A mi feladatunk az volt, hogy az eddigi széleskörű tapasztalatainkat felhasználva a műszaki rajz és a 3D-modell alapján meghatározzuk a nyomtatás ideális orientációját, megtervezzük a nyomtatáshoz szükséges támaszstruktúrákat és a kész alkatrészeket előállítsuk” ‒ magyarázza Nagy Ábel, a Knorr-Bremse műszaki szakértői csapatának alkalmazásmérnöke.

A támaszstruktúrák támasztják meg és tartják helyben az alkatrészt a sikeres nyomtatás érdekében, valamint segítik a fémpor megolvadásához szükséges magas hőt elvezetni az alkatrészből. „E struktúrák mennyiségét minimalizálni kell, a cél a minél kevesebb hulladék előállítása és az, hogy ezeket a részeket minél könnyebben és gyorsabban el tudjuk távolítani az utómegmunkálás során. A Knorr-Bremse gyárban korábban felhalmozódott tudást felhasználva hibamentesen elsőre sikerült kinyomtatni a két első és a két hátsó csonkállványt,

A Knorr-Bremse Vasúti Jármű Rendszerek Hungária Kft. 3D fémnyomtatója által készített csonkállványok az

amelyek különböztek egymástól. Ezek az alkatrészek a geometriájuk miatt a bonyolultabbak közé tartoznak, ezért a gyártástervezés különös figyelmet igényelt” ‒ teszi hozzá Nagy Ábel.

A 4 alkatrész 3D fémnyomtatása összesen 52 órát vett igénybe. A gép építőterének megfelelő kihasználtságának köszönhetően egyszerre nem egy, hanem két csonk állvány is készült egy nyomtatási programban. A Knorr-Bremsénél elsősorban egyedi megrendelése, prototípusok és pótalkatrészek gyártására, design study-k készítésére használják a berendezést.

A Knorr-Bremse (EOS M290) 3D fémnyomtatójának kezelőpanelje

„Az Arrabona Racing Teammel folytatott együttműködésünk során egy teljesen új területen szereztük érdemi tapasztalatokat, rendkívül fontos volt ez a projekt a kompetencianövelés szempontjából. Rengeteg új információra tettünk szert a generatív tervezéssel megvalósuló alkatrészgyártás, a támaszstruktúrák kialakításával kapcsolatban is, és a csapat folyamatos visszajelzéseket ad arról is, hogyan működnek és viselkednek a 3D-nyomtatott alkatrészek a valóságban. A próbapálcák eredményeiről szintén tájékoztatnak minket, amelyeket anyagvizsgálatnak vetnek alá” - mondta Nagy Ábel. A Knorr-Bremse Vasúti Jármű Rendszerek Hungária Kft.-nél a nyomtatás technológiai fejlesztése már korábban lezárult, a hatékonyabb gyártási paramétereket eredményesen validálták és indusztrializálták a 3D fémnyomtatás teljes folyamatát a megrendeléstől a szállításig. A technológia elterjesztése és a magasabb szintű szolgáltatás érdekében -a cég belső erőforrásaira támaszkodvaa szállítási tartalom kiegészült megmunkálási, hőkezelési és felületkezelési technológiákkal. Ezáltal a megrendelők teljesértékű funkcionális alkatrészeket kaphatnak rövid szállítási határidővel. Kapacitás függvényében ezen szolgáltatás külső ügyfelek számára is elérhető.

Nagy Ábel (Knorr-Bremse Budapest), Pusztay Bence (Arrabona Racing Team)