Ar 3D spausdinimas gali išspręsti lengvų automobilių dalių problemą?

Automobilių pramonė susiduria su tyliąja revoliucija: lengvumu. Nuo degalų-varomų transporto priemonių iki naujų energiją naudojančių transporto priemonių – svorio mažinimas tebėra pagrindinis iššūkis siekiant padidinti atstumą ir sumažinti energijos sąnaudas. Tradicinė gamyba grindžiama tokiais procesais kaip štampavimas ir liejimas, tačiau sudėtingas konstrukcines dalis dažnai reikia apdoroti ir surinkti atskirai, o tai ne tik padidina etapų skaičių, bet ir riboja projektavimo laisvę. 3D spausdinimas, galintis tiesiogiai kurti dalis iš skaitmeninių modelių, tampa pagrindiniu laimėjimu sprendžiant lengvo svorio iššūkį.

1. Tradicinių procesų „svorio mažinimo lubos“.

Tradicinėje automobilių dalių gamyboje lengvas svoris pirmiausia pasiekiamas dviem būdais: medžiagų pakeitimu, pvz., plieno pakeitimu aliuminio lydiniais; ir struktūrinį optimizavimą, pvz.,{0}}plonasienį dizainą. Tačiau šie metodai susiduria su techninėmis kliūtimis:

Medžiagų apribojimai: nors aliuminio lydiniai yra lengvesni už plieną, jiems trūksta stiprumo. Nors didelio-stiprumo plienas gali pagerinti našumą, toliau mažinti svorį sunku.

Proceso apribojimai: sudėtingas konstrukcines dalis reikia apdoroti atskirai, o po to suvirinti arba kniedyti, todėl jungtyse gali lengvai susikaupti įtempiai, o tai kelia pavojų saugai.

Sąnaudų spaudimas: dėl didelių formų kūrimo sąnaudų didėja vieneto sąnaudos mažose{0}}gamybos serijose, o tai riboja naujoviškų dizainų įgyvendinimą. Kalbant apie automobilių važiuoklės komponentus, tradiciniuose procesuose reikia suvirinti kelias dalis, o tai ne tik padidina svorį, bet ir sumažina tikslumą dėl šiluminės deformacijos. 3Kita vertus, D spausdinimas leidžia visiškai suformuoti konstrukcijas vienu procesu, visiškai pašalinant siūles ir atveriant naujas lengvo dizaino galimybes.

2. „Lengva 3D spausdinimo paslaptis“.

Pagrindinis 3D spausdinimo pranašumas slypi „dizainu-pagrįstoje gamyboje“, kuri tiesiogiai valdo dalių geometriją ir medžiagų pasiskirstymą naudojant skaitmeninius modelius, todėl pasiekiami lengvi efektai, kuriuos sunku pasiekti naudojant tradicinius procesus. Jos technologiniai laimėjimai pirmiausia atsispindi trijose srityse:

1. Topologijos optimizavimas: algoritmų naudojimas svoriui "sumažinti".

Topologijos optimizavimas yra projektavimo metodas, pagrįstas baigtinių elementų analize. Jis naudoja algoritmus, kad automatiškai sureguliuotų vidinę detalės struktūrą, pašalintų medžiagos perteklių išlaikant stiprumą. Pavyzdžiui, tradicinę tvirtą A-stulpo struktūrą (atraminius stulpus abiejose priekinio stiklo pusėse) galima optimizuoti naudojant 3D spausdinimą į korio ar grotelių struktūrą, sumažinant svorį daugiau nei 30 % ir 15 % pagerinant atsparumą smūgiams.

Tradicinėje gamyboje sudėtingos dalys turi būti išskaidomos į kelis paprastesnius komponentus, apdorojamos atskirai, o paskui surenkamos suvirinant, priveržiant varžtais ir kitais metodais. 3D spausdinimas leidžia tiesiogiai formuoti vientisas konstrukcijas, todėl nereikia papildomo jungčių svorio. Pavyzdžiui, automobilių įmonės aliuminio lydinio elektrinės pavaros korpusas buvo pagamintas iš vieno gabalo naudojant 3D spausdinimą, todėl svoris sumažėjo 20 %, palyginti su tradiciniais kelių dalių suvirinimo procesais. Tai taip pat sumažino apdirbimo žingsnius 50%, žymiai pagerino medžiagų panaudojimą.

3. Kelių-medžiagų kompozicijos: tikslus našumo paskirstymas

3D spausdinimas leidžia integruoti skirtingas medžiagas toje pačioje dalyje ir pasiekti „našumą pagal poreikį“. Pavyzdžiui, automobilių pakabos svirties vienu metu turi atitikti aukštus-stiprumo ir lengvumo reikalavimus, pusiausvyrą, kurią sunku pasiekti naudojant tradicinius procesus. 3D spausdinimas naudojant sluoksninio nusodinimo technologiją leidžia naudoti didelio-stiprumo titano lydinius esant kritinei įtampai-atramoms ir aliuminio lydinių saugumui, tuo pačiu sumažinant bendrą svorį{6}}.

III. Nuo laboratorijos iki gamybos linijos: 3D spausdinimas „tikras-pasaulinis įrodymas“

Lengvas 3D spausdinimo potencialas buvo parodytas keliais scenarijais:

Naujos energijos transporto priemonių baterijų korpusai: pirmaujantis automobilių gamintojas naudoja 3D-spausdintus aliuminio lydinio akumuliatorių korpusus, todėl optimizuojant topologiją korpuso svoris sumažėja 25 %, taip pat pagerinamas šilumos išsklaijimas ir pailgėja akumuliatoriaus veikimo laikas.

Didelio-našumo variklio komponentai: BMW S58B30 variklio cilindro galvutė yra sudėtingos struktūros, todėl tradicinius liejimo procesus sunku atitikti lengvojo svorio reikalavimus. 3D spausdinimo technologija leidžia integruoti vamzdžių konstrukcijų liejimą, pašalinant perteklines medžiagas ir žymiai sumažinant svorį.

Individualizuotos dalys: „Porsche“ naudoja 3D spausdinimą, kad gamintų visas lenktynių sėdynes. Dėl biomimetinio dizaino sėdynė palaiko žmogaus kūną, sumažindama svorį 40%, palyginti su tradicinėmis sėdynėmis, taip pat pagerindama važiavimo komfortą.

IV. Iššūkiai ir ateitis: 3D spausdinimo evoliucija

Nors 3D spausdinimas rodo didelį lengvinimo potencialą, jo didelio masto-pritaikymas vis dar susiduria su trimis pagrindiniais iššūkiais:

Medžiagų ypatybės: kai kurių specializuotų 3D spausdinimo medžiagų stiprumas ir atsparumas temperatūrai dar negali visiškai pakeisti tradicinių metalų, todėl reikia tęsti didelio našumo lydinių ir kompozicinių medžiagų tyrimus ir plėtrą.

Spausdinimo efektyvumas: metalinis 3D spausdinimas yra lėtas, todėl sunku patenkinti didelės-apimties gamybos poreikius. Veiksmingumas turi būti padidintas naudojant tokias technologijas kaip kelios lazerinės galvutės ir lygiagretus spausdinimas.

Standartų trūkumas: 3D spausdintų dalių kokybės tikrinimo ir eksploatacinių savybių sertifikavimo standartai vis dar neišsamūs, o saugumui užtikrinti reikalingi pramonės reglamentai.

Tačiau dėl nuolatinių technologijų proveržių 3D spausdinimas nuo prototipų kūrimo pereina prie masinės gamybos programų. Vienas automobilių gamintojas sukūrė daugiau nei 300 000 metalinių 3D{5}}atspausdintų dalių, todėl prototipų kūrimo ciklas sumažėjo daugiau nei 50 %, o tai parodo pagrindinę jo vertę – lengvumą ir greitą iteraciją.