Автомобильная промышленность - один из наиболее быстро меняющихся рынков. Поскольку многие концепции находятся на стадии разработки, участники рынка постоянно ищут эффективные технологии. Чтобы помочь им выделиться, большинство производителей автомобилей вкладывают средства в различные области, включая программное обеспечение для проектирования, производственные технологии, улучшенные помещения и новые навыки сотрудников.
Из них 3D-печать представляет собой технологию, которая вызвала большой интерес. В основном это связано со способностью технологии быстро изготавливать сложные и нестандартные детали. Однако другие интригующие факторы включают оптимизированный дизайн, ускоренные циклы инструментов и индивидуальные решения для всех цепочек создания стоимости при разработке транспортных средств.
По всем этим причинам автомобилестроение было одной из первых отраслей, которая широко внедрила 3D-печать для улучшения дизайна и повышения производительности в цехах. Благодаря интеграции 3D-принтеров в производственную линию изготовление, приобретение и ремонт деталей происходит намного быстрее.
В этой статье мы сосредоточимся на особенно популярном компоненте автомобиля: впускных коллекторах. Несмотря на их сложный характер и решающий вклад в производительность транспортных средств, 3D-печать уже применяется при проектировании и создании этих деталей.
После более детального изучения преимуществ мы выясним, кто участвует в этом движении и что именно они создают.
В целом, основные преимущества внедрения 3D-печати в автомобильном секторе заключаются в следующем:
-
- Упрощенное и ускоренное проектирование деталей, особенно сложных деталей.
-
- Меньшее количество этапов производства и снижение производственных затрат.
-
- Сокращенное время выполнения работ. Высокий уровень проработки деталей.
-
- Во многих случаях снижение веса детали.
-
- Более легкое получение инструментов, форм и приспособлений.
Так что же заставило автопроизводителей специально переконструировать впускной коллектор? Почему они используют 3D-печать? Может ли этот новый подход повлиять на производительность автомобиля?
Впускной коллектор управляет потоком топливно-воздушной смеси, которая является основным элементом, необходимым для функционирования транспортного средства. Таким образом, изменение конструкции этой конкретной детали может значительно повлиять на мощность в лошадиных силах, потенциально повышая ее уровень.
Конструкция впускного коллектора довольно сложна, и производство включает сборку и сварку нескольких компонентов для получения окончательной детали. Водители-энтузиасты и автомобильные компании, заинтересованные в выпуске высокопроизводительных автомобилей, обратили свое внимание на использование решений для 3D-печати для улучшения результатов.
Давайте посмотрим, как некоторые крупные автомобильные компании и гоночные команды внедрили 3D-печать, чтобы укрепить свои позиции на рынке.
Хотя автомобильные детали обычно снабжены металлическими компонентами, идея использования термически и механически прочных альтернатив в последнее время привлекла большое внимание. В частности, ученые и исследователи изучают и тестируют термопластичные и термореактивные материалы.
Ultem 9085 - один из таких высокопрочных негорючих термопластов. Произведенный Sabic (https://www.sabic.com/), он в основном используется в инструментальной оснастке, производстве конечных деталей и прототипировании.
Ultem заинтриговал профессора из Университета штата Аризона, доктора Бхате (Bhate). В частности, он хотел узнать, как лучше всего оптимизировать печать с использованием этого материала для сложных деталей.
Как известно, для печати FDM и смолой часто требуются поддерживающие конструкции. К сожалению, помимо увеличения количества отходов, правильное удаление опор и доведение окончательной модели иногда может потребовать дополнительных операций. Поэтому доктор Бхате провел тематическое исследование, чтобы свести к минимуму эти усилия, одновременно установив ценность Ultem.
Используя FDM Stratasys Fortus 400mc, Ultem 9085 и существующий CAD-проект впускного коллектора от группы ASU SAE, исследование, проведённое в 2016 года было сосредоточено на оптимизации параметров процесса.
Среди других шагов было предпринято несколько итераций дизайна с использованием программного обеспечения Insight (https://www.insight.com/en_US/shop/partner/autodesk/software.html) для проектирования, и была получена подходящая ориентация детали. Кроме того, для облегчения снятия опоры использовалась опорная конструкция коробчатого типа. Конечным результатом стал полностью функциональный (и красивый) впускной коллектор, который можно было напрямую связать с двигателем команды SAE.
Команда Hornet Racing из Калифорнийского государственного университета, одна из участников Formula SAE, в 2017 году сотрудничала с Carbon (https://www.carbon3d.com/), чтобы улучшить характеристики двигателей своего автомобиля. Идея заключалась в том, чтобы использовать 3D-печать, чтобы заново изобрести и перепроектировать впускной коллектор.
Основной проблемой, с которой столкнулась команда, был плохой воздушный поток, что привело к снижению производительности двигателя. Эта проблема обычно связана со сваркой множества мелких компонентов, что часто приводит к проблемам с подачей энергии.
Коллектор был переработан для производства с использованием технологии цифрового светового синтеза (DLS) Carbon. В этом процессе светодиодный световой механизм проецирует последовательность УФ-изображений через дно емкости, заполненной смолой. Изображения представляют собой поперечные сечения печатаемой детали, а светочувствительная смола затвердевает.
Как и следовало ожидать, сам по себе этот процесс не дает полнофункциональной части. После печати деталь обжигается в термостате, который определяет механические свойства детали за счет химической реакции. Это заставляет материал достигать желаемых конечных свойств.
Используя технологию Carbon DLS, Hornet Racing смогла получить полностью настраиваемый коллектор с минимальным количеством сварных швов. Результатом стал постоянный и оптимальный поток воздуха и топлива, максимизирующие производительность двигателя. В качестве дополнительного преимущества обновленная конструкция позволила снизить вес на 50% за счет замены алюминия жестким полиуретаном, прочным и термостойким пластиком.
В 2018 году студенты инженерной школы Текнун Университета Наварры (https://tecnun.unav.edu/en/), Испания, попытались упростить и изменить конструкцию своего гоночного автомобиля. Для этого они обратились к 3D-печати, используя ее возможности для минимизации производства при сохранении прочности, структуры и долговечности деталей.
В соответствии с этим решением, команда решила заменить алюминий композитом из углеродного волокна, чтобы уменьшить общий вес коллектора.
Спонсором Tecnun в этом начинании была компания Stratasys, предложившая использовать принтер Fortus 450mc и два материала: композит из углеродного волокна для коллектора и ST-130 для расходных инструментов. Последний использовался как опорный материал в пустых областях, так как его легко сломать или смыть.
Благодаря ST-130 команда смогла создать сложные конструкции со временем выполнения около пяти часов (по сравнению с неделями, которые в противном случае могли бы потребоваться для такого проекта). Конечная деталь смогла выдержать 121 ° C при снижении веса на 60%, что значительно улучшило характеристики детали.
Briggs & Stratton (https://www.briggsandstratton.com/eu/en_gb/home.html) - один из крупнейших производителей двигателей и оборудования для подсобного хозяйства в США. Приобретя в 2015 году принтер для селективного лазерного спекания (SLS) от 3D Systems, группа исследований и разработок компании решила проверить долговечность своего нового и будущего продукта. В частности, они хотели решить проблемы, связанные с традиционной обработкой с ЧПУ, литьем и другими технологиями производства.
Среди других тестов команда использовала DuraForm ProX PA от Statasys для создания впускного коллектора V-twin с эпоксидным уплотнением. Высокая прочность и пластичность полимера сделали печать сложной тонкостенной структуры относительно безболезненной. Некоторые секции имели толщину всего 0,8 мм и оставались прочными и гибкими.
После того, как коллектор V-twin был напечатан, он был протестирован при высоких температурах в течение более 2000 часов для соответствия конструкции и анализа производительности. Это позволило фирме за многие годы удовлетворить многочисленные запросы на сложные компоненты.
Orion Racing (http://www.orion-racing.com/) была одной из первых гоночных команд в Индии, которая воспроизвела шасси из углеродного волокна автомобиля Формулы 1 с помощью 3D-печати. Узнав, что конструкция впускного коллектора слишком сложна, команда обратилась в службу 3D-печати Imaginarium (https://www.imaginarium.io/).
Целью проекта было напечатать шасси двигателя аэрокосмического класса, которое позволило бы гоночной машине команды разгоняться от 0 до 100 км / ч за 4 секунды. Imaginarium учел цель и предложил разработать коллектор и шасси с использованием однопроходной технологии изготовления. Это было сделано для того, чтобы избежать соединения нескольких более мелких компонентов.
Детали были напечатаны из нейлона PA 12 на Sinterstation HiQ, SLS-машине (https://all3dp.com/1/best-sls-3d-printer-desktop-industrial/). Благодаря этой точной технологии результаты были прочными, долговечными и детализированными, что облегчало установку и сборку.
Как и ожидалось, гоночный автомобиль выиграл от общего снижения веса. Это позволило команде Orion Racing занять достойное место среди конкурентов.
В прошлом году Papadakis Racing (https://papadakisracing.com/) использовала собственные услуги селективной лазерной плавки (SLM), предлагаемые Mimo Technik (https://www.mimotechnik.com/) в Калифорнии. Это сотрудничество объединило алюминиевые возможности их машины M 500 со спецификациями САПР, предоставленными Papadakis Racing. Цель? Для испытания напечатанного на 3D-принтере коллектора на автомобиле Toyota Supera с двигателем мощностью 1000 л.с.
M 500 работает, сначала нанося слой толстого алюминиевого порошка. Затем с помощью управляемого лазера порошок избирательно плавится и связывается с образованием последовательных слоев модели.
В общей сложности на печать детали, включающей все необходимые компоненты, ушло около 51 часа. Постобработка включала очистку и снятие конструктивных опор.
Как вы, наверное, догадались, включив этот проект в список, дизайн удался. Измерение производительности с помощью динамометра показало, что двигатель смог достичь мощности в 1000 л.с.