Ľahký konštrukčný potenciál v 3D tlači pre pevnostne optimalizovaný dizajn
Optimalizované geometrie aj pre interiér
Ľahký konštrukčný potenciál v 3D tlači
Ralf Steck, nezávislý odborný novinár pre oblasti CAD/CAM, IT a strojárstvo, Friedrichshafen
Obsah
3D tlač umožňuje zložité geometrie komponentov
Zatiaľ čo pri bežných výrobných procesoch, ako je frézovanie alebo sústruženie, sa pevná surová súčasť obrába zvonku dovnútra (subtraktívne), súčiastka sa pri 3D tlači vytvára vo vrstvách (aditívne). To znamená, že každá časť súčasti, vrátane jej vnútornej strany, sa dá tvarovať individuálne. Komplexná geometria navyše neznamená, že sa zvýši čas spracovania na 3D tlačiarni - „Zložitosť je zadarmo“. Týmto spôsobom je možné na 3D tlačiarni vytvárať veľmi zložité bionické tvary rovnako ľahko ako geometrické základné telá s hladkými povrchmi.
Optimalizácia topológie je možná prostredníctvom 3D tlače
Väčšina výrobcov CAD a simulácií teraz ponúka funkcie na optimalizáciu topológie. Pomocou tejto technológie užívateľ definuje body aplikácie, smery a veľkosti síl pôsobiacich na komponent, ako aj inštalačný priestor. Softvér potom vypočíta - pri zohľadnení ďalších parametrov a okrajových podmienok - optimálny tvar, ktorým sa dosiahne požadovaná pevnosť s čo najmenšou spotrebou materiálu.
Výsledkom sú väčšinou organicky vyzerajúce tvary vyrobené z mnohých lomených a zúbkovaných tyčí, ktoré sa dajú, len kvôli zložitému vystuženiu, ťažko vyrobiť subtraktívne. Alternatívou je vytvoriť konštrukciu napríklad ako zváranú oceľovú rúrkovú konštrukciu, čo je však tiež veľmi zdĺhavá úloha - tiež preto, že najskôr je potrebné geometriu pracne previesť na tyčové geometrie. Softvér na optimalizáciu topológie Inspire od americkej spoločnosti Altair v Troy v Michigane umožňuje pokryť vypočítanú geometriu hladkými povrchmi, aby sa dosiahol technickejší vzhľad. V 3D tlači je však jednoducho irelevantné, ako sa tvaruje geometria, 3D tlačiareň vytvorí akýkoľvek tvar. 3D tlač umožňuje výrobu dielov optimalizovaných pre topológiu s minimálnym alebo žiadnym prepracovaním.
Výrazné zníženie hmotnosti po optimalizácii topológie
Výrobca železničných vozidiel Alstom z francúzskeho Saint-Ouen použil Altair Inspire a súvisiaci modelovací systém Evolve na optimalizáciu stabilizačného držiaku pre podvozky svojich vlakových sérií Metropolis. Odlievaná časť bola veľmi ťažká a v simulácii sa ukázala byť masívne predimenzovaná. Inžinieri definovali rozšírený inštalačný priestor, ako aj sily a okrajové podmienky, na základe čoho Inspire vypočítal oveľa ľahšiu geometriu. Po vyhladení štruktúr v Evolve sa v ďalšom simulačnom behu ukázalo, že vydrží prevádzkové sily, ktoré vznikajú pri výrazne zníženom použití materiálu - a teda aj hmotnosti. Proces ukázal, že pomocou optimalizácie topológie možno veľmi rýchlo vylúčiť veľkú váhu z existujúcich štruktúr.
Ľahký konštrukčný potenciál vyvíjať prostredníctvom 3D tlače
Ďalším spôsobom, ako ušetriť na váhe bez obetovania sily, je opracovať vnútro súčasti. Vonkajší tvar komponentu často dodržiava určité funkčné alebo estetické kritériá - vytvárajú sa však oblasti, ktoré sú oveľa masívnejšie, ako by bolo potrebné pre pevnosť. V tomto prípade sa doteraz nedalo takmer nič robiť, ale pomocou 3D tlače nie je problém čiastočne alebo úplne vyprázdniť vnútro súčasti. Aby sa nestratila príliš veľká stabilita, sú dutiny často vyplnené mriežkovou štruktúrou, ako je tá, ktorú vyrába softvér Within od americkej spoločnosti Autodesk zo San Rafaelu.
Pri zodpovedajúcom návrhu týchto štruktúr mriežky je dokonca možné konkrétne ovplyvniť vlastnosti materiálu. Napríklad, ak tlačíte komponent vyrobený z elastického materiálu, môžu sa pomocou hrubších a tenších pruhov vytvoriť tvrdšie a mäkšie oblasti v rámci komponentu. Mimochodom, prakticky všetky komponenty vytlačené 3D technológiou FDM sú čiastočne duté. Mriežkové štruktúry sa tu používajú predovšetkým na šetrenie času tlače, ale aj na šetrenie materiálu. V každom prípade vznikajú extrémne ľahké a zároveň stabilné komponenty.
Záver
Schopnosť aditívnej výroby vedieť špecificky definovať každý bod súčasti, aj vo vnútri, otvára návrhárovi množstvo možností, ako ušetriť hmotnosť a materiál. Duté komponenty vyplnené mriežkovými štruktúrami alebo minimalizované na čisté rámce ponúkajú potenciál úspor výrazne nad 50%. Preto stojí za to preskúmať nové technológie. spol
Rozsiahle informácie o procesoch a príkladoch aplikácií aditívnej výroby poskytuje na tému 3D tlač konštrukciou KEM: