Đại học Mannheim nghiên cứu in 3d moay ơ xe đua

Trong đua xe, mỗi phần nghìn giây được tính là người đầu tiên vượt qua vạch đích. Do đó, Đội đua Delta của Đại học Khoa học Ứng dụng Mannheim (CHLB Đức). Đã tối ưu hóa chiếc xe đua của họ cho sự kiện The Formula Student Electric hàng năm. Cải tiến lớn nhất của khung xe trong năm nay, là việc chuyển đổi công nghệ sản xuất sang sản xuất bồi đắp. Cơ cấu ổ đỡ moay ơ bánh xe được sản xuất bằng phương pháp in 3d kim loại.

Các phương pháp phân tích mô phỏng chính xác, thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết và sản xuất. Cũng như việc in 3d hợp kim nhôm trên EP-M250Pro của Eplus3D. Có thể tiết kiệm trọng lượng hơn 50% và do đó tăng hiệu suất vượt trội của toàn bộ xe so với gia công phay CNC trước đây.

Lời nói đầu

Trong cuộc đua, trọng lượng xe đóng một vai trò quyết định đến hiệu suất và hành vi lái xe. Cơ cấu moay ơ là thành phần trung tâm để hấp thụ và truyền lực. Với sự trợ giúp của các quy trình sản xuất bồi đắp, các khả năng mới về hình dạng và thiết kế tự do trở nên khả thi. Sự phát triển dựa trên các mô phỏng có sự hỗ trợ của máy tính (CAE).

Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng ở đây. Các phần mềm này phân tích tải trọng chủ yếu của cấu kiện và tính toán hình dạng cấu kiện được tối ưu hóa. Thông tin này được đưa vào quá trình thiết kế. Điều này cho phép so sánh các quy trình sản xuất khác nhau và tránh thay đổi chi tiết tốn kém.

Trường hợp tải

Để tính toán tổng các lực tác dụng lên cấu kiện, người ta xác định các trường hợp tải trọng ưu thế khác nhau. Với mục đích, tất cả dữ liệu hiện có của xe được tính đến. Sau đó đánh giá với sự trợ giúp của phần mềm tính toán số. Cơ sở cho điều này là tài liệu từ lĩnh vực công nghệ xe đua. Các trường hợp tải sau đây đã được phân tích:

• Tác động dọc tối đa
• Phanh cực mạnh
• Vào cua (tính toán động)
• Bên trong bánh xe vào cua
• Bên ngoài bánh xe vào cua
• Phanh trong ổ gà
• Phanh ngược lại
• Tác động của ngoại biên
• Điểm dừng giới hạn

Tất cả các dữ liệu về xe như lực cản khí động học, trường hoạt động của lốp, độ bù động học, v.v. Đều được đưa vào tính toán các điều kiện thực tế. Trạng thái vận hành mong muốn là bám chặt với độ trượt nhẹ. Vì điều này cho phép truyền tối đa lực dọc và lực ngang.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Trong bước đầu tiên, một mô hình không gian làm việc được tạo ra. Xem xét tất cả các điều kiện biên hình học và động học. Các tính năng quan trọng ở đây là: Bề mặt lắp đặt, phụ kiện cũng như khoảng cách chức năng của động học khung gầm. Để không hạn chế thuật toán tối ưu hóa. Tất cả các bậc tự do có thể được sử dụng.

Biên dạng hình học của sản phẩm được chia thành hai vùng. Can thiệp thiết kế (màu đỏ) và vùng không can thiệp thiết kế (màu xám). Các khu vực thiết kế chủ yếu bị giới hạn bởi các thành phần ngoại vi. Các khu vực không thiết kế hầu hết là các điểm chịu lực hoặc kết nối. Sự phân chia này cho phép chia lưới hình học tốt hơn liên quan đến các lực nhất định, dẫn đến kết quả mô phỏng nhanh hơn và chính xác hơn.

Sử dụng hợp kim nhôm có độ bền cao và chống ăn mòn AlSi10Mg. Là hợp kim có tỷ lệ giữa sức mạnh và trọng lượng rất tốt.

Mô hình 3d sẽ được chia lưới bởi các phần tử hữu hạn. Các phần tử tứ diện có hàm đính kèm bậc hai được sử dụng. Bây giờ áp dụng các trường hợp tải trọng với các lực đã tính toán trước đó. Bằng cách sử dụng cái gọi là phần tử RBE-3. Điểm giới hạn lực có thể được chọn làm điểm kết nối giữa bánh xe và mặt đường. Các phần tử này kết nối một số nút độc lập với một nút phụ thuộc thông qua một ràng buộc cứng và do đó ghép nối các bậc tự do của chúng.

Hai cân nhắc khác nhau được xem xét

• Hình 4 bên trái: Tác dụng lực qua các nút của bánh răng hạ cánh.
• Hình 4 bên phải: Tác dụng lực thông qua điểm nối của bánh xe và mặt đường trên bề mặt chịu lực.

Mục đích của tối ưu hóa cấu trúc liên kết là để đạt được: Năng suất trung bình vs. Sự giảm khối lượng rõ ràng. Phần mềm sẽ mô tả tỷ lệ giữa phương án khối lượng đầu ra và khối lượng mục tiêu trong thiết kế khối lượng. Năng suất trung bình được hình thành từ tổng số 18 trường hợp tải. Và tầm quan trọng tương ứng của chúng cũng như hệ số an toàn. Với sự trợ giúp của phần mềm OptiStruct, giải pháp tối ưu được tính toán và tinh chỉnh thêm qua nhiều lần lặp lại.

Các cấu trúc đã tạo bây giờ phải được người thiết kế mô hình lại. Với mục đích này, các lưới đa giác được tạo ra xung quanh hình học được đề xuất. Đây là những tùy chỉnh tự do.

Bằng chứng về sức mạnh

Thiết kế mới được kiểm tra sức mạnh của nó với các phân tích ứng suất của tất cả các trường hợp tải. Để có được cái nhìn tổng quan hơn về tất cả các trường hợp tải. Kết quả của các ứng suất chồng chéo được xem xét.

Khi đánh giá kết quả mô phỏng, họ thấy rằng ứng suất gia tăng hầu như không xảy ra ở bất kỳ khu vực nào. Điều này là do tối ưu hóa cấu trúc liên kết và hệ số an toàn đã được sử dụng.

Xem xét kỹ hơn, ứng suất so sánh Von Mieses của mỗi trường hợp tải là dưới giới hạn chảy của vật liệu.

Thiết kế cho Sản xuất bồi đắp

Để đảm bảo quá trình sản xuất các thành phần diễn ra suôn sẻ. Một số tối ưu hóa được thực hiện để đảm bảo khả năng sản xuất của sản phẩm được tối ưu hóa. Chúng được phát triển trong một dự án cùng với những người tham gia Delta Racing eV, chuyên gia gia công Klaeger Präzision GmbH & Co. KG và đội tư vấn AM của Eplus3D.

Các chuyên gia đã làm một mẫu thử nghiệm nhanh đầu tiên. Bằng nhựa PLA, được làm bằng công nghệ in 3d FFF. Để phục vụ kiểm tra biên dạng, cảm nhận và để thảo luận với tất cả các bên liên quan.

Trình tự sản xuất của các bộ phận sau đó được xác định như sau:

• Các bộ phận được sản xuất bằng phương pháp in 3D sử dụng kim loại bột trên máy in EP-M250Pro (Metal Powder Bed Fusion).
• Sau đó, sản phẩm được ủ trong lò chân không để giảm ứng suất bên trong các bộ phận.
• Với sự trợ giúp của máy cắt dây EDM, cấu kiện được tách khỏi build platform và tháo các cấu trúc hỗ trợ.
• Tiếp theo là phun cát bề mặt cũng như gia công các vùng chức năng trên máy phay CNC 5 trục
• Tiến hành kiểm tra chất lượng bằng máy quét 3d

Xử lý ứng suất dư trong in 3d bột kim loại

Ứng suất bên trong được tạo ra thông qua quá trình bồi đắp phải được loại bỏ bằng cách ủ ứng suất. Để giữ cho biến dạng thông qua các ứng suất dư càng thấp càng tốt ngay từ đầu. Các góc của thanh nối các bề mặt chức năng phải được điều chỉnh. Sau khi xác minh lại bằng công cụ mô phỏng, các thay đổi có thể được áp dụng cho thiết kế (xem Hình 11).

Cấu trúc giống như thanh của sản phẩm và một số bề mặt có thể tạo ra các rung động trong quá trình gia công lại, dẫn đến các vết nứt. Do đó, như có thể thấy trong Hình 10 (màu xanh) và Hình 11. Những thay đổi này làm cho nó có thể sản xuất toàn bộ các vị trí trong một quy trình kẹp trên máy phay CNC 5 trục. Và do đó tuân thủ tất cả các dung sai vị trí và hình dạng được yêu cầu (xem Hình 13).

Triển vọng của phương pháp in 3D sử dụng kim loại bột

Các bánh xe được tối ưu hóa về mặt cấu trúc liên kết đại diện cho một cột mốc quan trọng khác trong quá trình phát triển xe đua của Delta Racing. Ở mùa giải trước, các moay ơ được phay CNC từng phần rồi lắp ghép lại. Tối ưu thiết kế theo xu hướng làm nhẹ kết cấu có thể giảm 50% trọng lượng của cơ cấu moay ơ. Một ổ đỡ moay ơ mới có trọng lượng khoảng 550 gram. Tất cả các khối lượng xung quanh bánh xe tác dụng trực tiếp lên moay ơ và không bị trễ bởi lò xo và bộ giảm chấn. Do đó, khối lượng tĩnh có hệ số bằng 7 so với tổng khối lượng chuyển động.

Do đó, việc giảm đáng kể khối lượng của phần không vận động làm cho thao tác lái xe nhanh nhẹn hơn và tiện dụng hơn đáng kể. Và phương pháp in 3D sử dụng kim loại bột có thể nói là duy nhất để sản xuất sản phẩm có hình dạng tôi ưu.

Nguồn: Đại học Mannheim và công ty E-plus3D