Könnyű konstrukciós lehetőség a 3D nyomtatásban az erőre optimalizált tervezés érdekében
Optimalizált geometriák a belső térhez is
Könnyű lehetőség a 3D nyomtatásban
Ralf Steck, a CAD/CAM, az informatika és a gépgyártás szabadúszó szakújságírója, Friedrichshafen
Tartalomjegyzék
A 3D nyomtatás összetett geometriákat tesz lehetővé az alkatrészekben
Míg a hagyományos gyártási folyamatokban, mint például a szilárd nyers rész marása vagy esztergálása kívülről befelé (szubtraktív) kerül megmunkálásra, addig az alkatrész rétegekben (adalékanyagként) jön létre a 3D nyomtatásban. Ez azt jelenti, hogy az alkatrész minden része, beleértve a belsejét is, egyedileg alakítható. Ezenkívül az összetett geometria nem jelenti azt, hogy a 3D nyomtatón megnő a feldolgozási idő - „A komplexitás ingyenes”. Ily módon rendkívül összetett, bionikus alakzatok hozhatók létre a 3D nyomtatón éppúgy, mint a sima felületű geometriai alaptestek.
A topológia optimalizálása 3D nyomtatással lehetséges
A legtöbb CAD és szimulációs gyártó ma már kínál funkciókat a topológia optimalizálásához. Ezzel a technológiával a felhasználó meghatározza az alkatrészre ható erők alkalmazási pontjait, irányait és nagyságát, valamint a telepítési helyet. Ezután a szoftver - más paraméterek és peremfeltételek figyelembevételével - kiszámítja az optimális alakot, amely a lehető legkisebb anyagfogyasztással éri el a szükséges szilárdságot.
Az eredmény többnyire organikus megjelenésű, sok szögletes és horpadt rúdból készült forma, amelyeket - már csak a bonyolult merevítés miatt is - alig lehet kivonni. Alternatív megoldásként a szerkezetet hegesztett acélcsőszerkezetként állítják elő, de ez is nagyon fárasztó feladat - azért is, mert a geometriát először fáradságosan kell rúdgeometriává alakítani. Az Inspire topológiaoptimalizáló szoftver az amerikai Altair cégtől Troy-ban (Michigan) lehetővé teszi, hogy a kiszámított geometriát sima felületekkel fedje le a technikai megjelenés érdekében. A 3D nyomtatásban azonban egyszerűen lényegtelen a geometria alakja, a 3D nyomtató bármilyen alakot hoz létre. A 3D nyomtatás lehetővé teszi a topológiára optimalizált alkatrészek előállítását, kevés átdolgozással vagy anélkül.
Jelentős súlycsökkenés a topológia optimalizálása után
A vasúti járműgyártó, a franciaországi Saint-Ouen-i Alstom az Altair Inspire-t és a hozzá tartozó Evolve modellező rendszert használta a stabilizátor tartójának optimalizálására Metropolis vonatsorozatának forgóvázaihoz. Az öntött rész nagyon nehéz volt, és a szimulációban azt mutatta, hogy masszívan túlméretes. A mérnökök kiterjesztett telepítési teret, valamint erőket és peremfeltételeket határoztak meg, ezután az Inspire sokkal könnyebb geometriát számított ki. Az Evolve szerkezeteinek simítása után ez egy további szimulációs futtatás során bebizonyította, hogy képes elnyelni azokat a működési erőket, amelyek akkor jelentkeznek, amikor az anyagfelhasználás - és így a súly - jelentősen csökkent. A folyamat megmutatta, hogy a topológia optimalizálása segítségével nagyon sok súly nagyon gyorsan kiküszöbölhető a meglévő struktúrákból.
Könnyű építési potenciál 3D nyomtatással fejlődni
A súlycsökkentés másik módja erő feláldozása nélkül az alkatrész belsejének megmunkálása. Az alkatrész külső alakja gyakran követ bizonyos funkcionális vagy esztétikai kritériumokat - ez azonban sokkal nagyobb területeket hoz létre, mint amennyi az erősséghez szükséges lenne. Eddig alig lehetett mit tenni ebben az esetben, de a 3D nyomtatás segítségével nem probléma az alkatrész belsejét részben vagy teljesen üregessé tenni. Annak érdekében, hogy ne veszítsen el túl sok stabilitást, az üregeket gyakran rácsszerkezettel töltik meg, például a San Rafaeltől származó amerikai Autodesk vállalat belső szoftvere által gyártott rácsszerkezettel.
Ezeknek a rácsszerkezeteknek a megfelelő kialakításával még az anyag tulajdonságait is konkrétan befolyásolni lehet. Például, ha rugalmas anyagból készült alkatrészt nyomtat, vastagabb és vékonyabb rudak segítségével keményebb és lágyabb területek jöhetnek létre az alkatrészen belül. Egyébként az FDM eljárással 3D-ben kinyomtatott összes alkatrész gyakorlatilag üreges. Itt a rácsszerkezeteket elsősorban a nyomtatási idő, de az anyag megtakarítása érdekében is használják. Mindenesetre rendkívül könnyű és stabil alkatrészek jönnek létre.
Következtetés
Az adalékanyagok gyártásának képessége, hogy képes legyen konkrétan meghatározni az alkatrészek minden pontját, beleértve a belsejét is, számos lehetőséget nyit meg a tervező számára a tömeg és az anyag megtakarításában. A rácsszerkezetekkel töltött vagy tiszta keretekre minimalizált üreges alkatrészek jóval 50% feletti megtakarítási lehetőséget kínálnak. Érdemes tehát megvizsgálni az új technológiákat. társ
A 3D nyomtatás témakörében részletes információkat nyújt az adalékanyagok gyártásának folyamatairól és alkalmazási példáiról a KEM konstrukció: