Jeśli jesteś fanem prędkości, dowiedz się, jak poprawiają się osiągi pojazdu, dzięki drukowanym w 3D kolektorom dolotowym.
Motoryzacja spotyka się z wytwarzaniem przyrostowym
Branża motoryzacyjna, to jeden z najszybciej zmieniających się rynków. Przy wielu koncepcjach na etapie rozwoju, uczestnicy rynku nieustannie poszukują wydajnych technologii. Aby pomóc im się wyróżnić, większość producentów motoryzacyjnych inwestuje w różne obszary, w tym oprogramowanie do projektowania, techniki produkcji, ulepszone obiekty i nowe kwalifikacje pracowników.
Druk 3D reprezentuje technologię, która wzbudziła duże zainteresowanie. Wynika to głównie ze zdolności technologii do szybkiego wytwarzania złożonych i niestandardowych części. Jednak inne, nie mniej ważne czynniki, obejmują również optymalizację projektów, przyspieszone cykle narzędzi i niestandardowe rozwiązania służące rozwojowi pojazdów.
Z tych wszystkich powodów, branża motoryzacyjna była jedną z pierwszych branż, która w dużym stopniu przyjęła druk 3D, aby ulepszyć projektowanie i zwiększyć produktywność w hali produkcyjnej. Dzięki integracji drukarek 3D z linią produkcyjną, produkcja części, zakup i naprawa są znacznie szybsze.
Pod mikroskopem
W tym artykule skupimy się na szczególnie popularnym elemencie pojazdu: kolektorze dolotowym. Pomimo skomplikowanego charakteru i kluczowego wkładu w osiągi pojazdów, drukarki 3D są już wykorzystywane przy tworzeniu tej części.
Korzyści dla wydajności części
Ogólnie rzecz biorąc, główne korzyści wynikające z przyjęcia druku 3D w branży motoryzacyjnej są następujące:
- Uproszczone i przyspieszone projektowanie części, zwłaszcza części złożonych
- Mniej etapów produkcji i niższe koszty produkcji
- Skrócony czas realizacji
- Wysoki poziom personalizacji części
- W wielu przypadkach redukcja wagi części
- Łatwiejsze pozyskiwanie narzędzi, form, przyrządów i osprzętu
Więc co takiego powoduje, że producenci samochodów koncentrują się szczególnie na przeprojektowaniu kolektora dolotowego? Dlaczego używają do tego druku 3D? Czy to nowe podejście jest środkiem zmieniającym wydajność samochodu?
W wielu kategoriach
Kolektor dolotowy obsługuje przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej, która jest głównym elementem niezbędnym do funkcjonowania pojazdu. Dostosowanie konstrukcji tej konkretnej części może zatem znacząco wpłynąć na moc, potencjalnie przenosząc ją na znacznie wyższy poziom.
Konstrukcja kolektora dolotowego jest dość złożona, a produkcja obejmuje montaż i spawanie kilku elementów w celu uzyskania finalnej części. Entuzjastyczni kierowcy i firmy motoryzacyjne, którym zależy na dostarczaniu wysokowydajnych pojazdów, zwrócili więc uwagę na wykorzystanie rozwiązań druku 3D, w celu uzyskania lepszych wyników.
Przyjrzyjmy się zatem, jak niektóre z głównych firm motoryzacyjnych i zespołów wyścigowych, przyjęły druk 3D, aby wzmocnić swoją pozycję na rynku.
Uniwersytet Stanu Arizona
Chociaż części samochodowe są zwykle wyposażone w metalowe elementy, pomysł wykorzystania wytrzymałych termicznie i mechanicznie alternatywnych rozwiązań, zyskał ostatnio wiele uwagi. W szczególności naukowcy badali i testowali materiały termoplastyczne i termoutwardzalne.
Ultem 9085 jest jednym z takich wysokowytrzymałych, ognioodpornych tworzyw termoplastycznych. Wyprodukowany przez Sabic, jest używany głównie do wytwarzania oprzyrządowania, produkcji części końcowych i prototypowania.
Profesor z Arizona State University, dr Bhate, był zaintrygowany Ultemem. W szczególności chciał wiedzieć, jak najlepiej zoptymalizować drukowanie z użyciem tego materiału, w przypadku skomplikowanych części.
Jak powszechnie wiadomo, drukowanie przy użyciu drukarek FDM oraz drukarek żywicznych, często wymaga zastosowania podpór. Niestety, poza zwiększeniem ilości odpadów, prawidłowe usunięcie podpór i dopracowanie ostatecznego modelu może czasami wymagać post-processingu. Dlatego dr Bhate przeprowadził studium przypadku, aby zminimalizować te wysiłki, przy ustalaniu wartości dla materiału Ultem.
Wykorzystując drukarkę FDM Stratasys Fortus 400mc, Ultem 9085 i istniejący projekt CAD kolektora dolotowego opracowany przez zespół ASU SAE, badanie z 2016 r. koncentrowało się na optymalizacji parametrów procesu.
Między innymi wykonano kilka iteracji projektowych za pomocą oprogramowania do projektowania Insight i uzyskano odpowiednią orientację części. Ponadto, aby ułatwić usuwanie podpór, zastosowano podpory tzw. box-type. Efektem końcowym był w pełni funkcjonalny (i piękny) kolektor dolotowy, który można było bezpośrednio połączyć z silnikiem zespołu SAE.
Hornet Racing, CSU
Zespół Hornet Racing z California State University, jeden z uczestników Formuły SAE, współpracował z Carbon w 2017 roku, aby poprawić osiągi silnika ich pojazdu. Pomysł polegał na wykorzystaniu druku 3D, do ponownego wynalezienia i przeprojektowania kolektora dolotowego.
Głównym wyzwaniem, przed którym stanął zespół, był słaby przepływ powietrza, który powodował niższe osiągi silnika. Ten problem jest zwykle przypisywany spawaniu wielu małych elementów, co często powoduje problemy z dostarczaniem mocy.
Kolektor został przeprojektowany tak, aby był produkowany przy użyciu technologii cyfrowej syntezy światła (DLS) firmy Carbon. W tym procesie silnik światła LED wyświetla sekwencję obrazów UV przez dno wypełnionej żywicą kadzi. Naświetlone obrazy, to przekroje poprzeczne drukowanej części, a światłoczuła żywica utwardza się w ciało stałe.
Jak można się spodziewać, sam ten proces nie daje w pełni funkcjonalnej części. Po wydrukowaniu, część jest wypalana w kąpieli termicznej, która wpływa na właściwości mechaniczne części, poprzez wywołanie reakcji chemicznej. Powoduje to wzmocnienie materiału, osiągając pożądane właściwości końcowe.
Korzystając z technologii Carbon DLS, Hornet Racing był w stanie uzyskać w pełni dostosowany kolektor z minimalnymi spawami. Rezultatem był stały i optymalny przepływ powietrza i paliwa, maksymalizujący osiągi silnika. Dodatkową korzyścią jest to, że odnowiona konstrukcja pozwoliła na zmniejszenie wagi o 50% dzięki zastąpieniu aluminium sztywnym poliuretanem, mocnym i odpornym na ciepło tworzywem sztucznym.
Szkoła Inżynierii w Tecnun
W 2018 roku studenci z Tecnun School of Engineering na University of Navarra w Hiszpanii starali się uprościć i zmienić projekt swojego samochodu wyścigowego. Aby to zrobić, zwrócili się ku drukowaniu 3D, wykorzystując jego zdolność do minimalizacji produkcji, przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości, struktury i trwałości części.
Zgodnie z tą decyzją, zespół zdecydował się zastąpić aluminium, kompozytem z włókna węglowego, aby zmniejszyć całkowitą masę kolektora.
Sponsorem firmy Tecnun w tym przedsięwzięciu była firma Stratasys, która zaoferowała użycie drukarki Fortus 450mc i dwóch materiałów: kompozytu z włókna węglowego na kolektor oraz ST-130.
Dzięki ST-130 zespół był w stanie stworzyć złożone konstrukcje z czasem realizacji około pięciu godzin (w porównaniu do tygodni, które w innym przypadku zajęłyby takie projekty). Ostatnia część była w stanie wytrzymać 121 ° C przy 60% redukcji wagi, co znacznie poprawiło wydajność części.
Briggs & Stratton
Briggs & Stratton jest jednym z największych producentów silników i wyposażenia stoczni w Stanach Zjednoczonych. Nabywając w 2015 roku drukarkę do selektywnego spiekania laserowego (SLS) od 3D Systems, zespół badawczo-rozwojowy firmy szukał możliwości przetestowania ich nowego i nadchodzącego produktu. W szczególności chcieli sprostać wyzwaniom związanym z konwencjonalną obróbką CNC, odlewaniem i innymi technikami wytwarzania.
W czasie innych testów, zespół wykorzystał DuraForm ProX PA firmy 3D System do stworzenia kolektora dolotowego V-twin z uszczelnieniem epoksydowym. Wysoka wytrzymałość i plastyczność polimeru, sprawiły że drukowanie złożonej cienkościennej struktury było stosunkowo łatwe. Niektóre z profili miały tylko 0,8 mm grubości i nadal były trwałe i elastyczne.
Po wydrukowaniu kolektora V-twin, był on testowany w środowisku o wysokiej temperaturze przez ponad 2000 godzin, pod kątem dopasowania projektowego i analizy wydajności. Umożliwiło to firmie realizację wielu zamówień na złożone komponenty na przestrzeni lat.
Orion Racing
Orion Racing był jednym z pierwszych zespołów wyścigowych w Indiach, który zreplikował karbonowe podwozie samochodu Formuły 1 przy użyciu druku 3D. Po tym, jak powiedziano im, że projekt ich kolektora dolotowego jest zbyt złożony, zespół zwrócił się do firmy świadczącej usługi drukowania 3D: Imaginarium.
Celem projektu było wydrukowanie podwozia silnika lotniczego, które pozwoliłoby samochodowi wyścigowemu zespołu rozpędzić się od 0-100 km / hw 4 sekundy. Firma Imaginarium rozważyła cel i zaproponowała opracowanie kolektora i obudowy w taki sposób, aby uniknąć łączenia wielu mniejszych komponentów.
Części zostały wydrukowane z nylonu PA 12 na Sinterstation HiQ, drukarce SLS. Dzięki tej precyzyjnej technologii wyniki były mocne, trwałe i szczegółowe, pozwalając na łatwe dopasowanie i montaż.
Zgodnie z oczekiwaniami nowy kolektor sprawił, iż samochód wyścigowy zyskał na ogólnej redukcji masy. Umożliwiło to zespołowi Orion Racing dobrą pozycję na tle konkurencji.
Papadakis Racing
W zeszłym roku firma Papadakis Racing skorzystała z usług selektywnego stapiania laserowego (SLM), oferowanych przez Mimo Technik w Kalifornii. Współpraca ta połączyła możliwości aluminium ich maszyny M 500, ze specyfikacjami CAD dostarczonymi przez Papadakis Racing. Cel: przetestowanie wydrukowanego w 3D kolektora na Toyocie Supera z silnikiem o mocy 1000 KM.
M 500 działa poprzez nałożenie najpierw warstwy grubego proszku aluminiowego. Następnie za pomocą kierowanego lasera, proszek jest selektywnie topiony i wiązany, tworząc kolejne warstwy modelu.
W sumie wydrukowanie części zawierającej wszystkie niezbędne komponenty zajęło około 51 godzin. Obróbka końcowa obejmowała czyszczenie i usuwanie podpór konstrukcyjnych.
Jak zapewne zgadłeś po umieszczeniu tego projektu na liście, projekt zakończył się sukcesem. Mierząc osiągi za pomocą dynamometru, silnik był w stanie osiągnąć 1000 KM.
