Раздвигая границы проектирования с аддитивным производством из металла...

Авторы: Terry Wohlers и Ian Campbell
11 марта 2016 г.

Огромные свобода в проектировании общепризнанно является ключевым преимуществом при использовании аддитивных технологий (АТ) в производстве конечных функциональных деталей. Снижение потребности в оснастке и возможность более свободно наращивать и удалять материал означает, что создаваемые детали могут иметь более сложную геометрическую структуру, чем при их изготовлении с применением обычных технологических процессов, которые сами в свою очередь, очень технологически сложны. Аддитивные технологии могут быть использованы различными способами, чтобы повысить прибавочную стоимость изделий.

Дополнительная прибавочная стоимость может быть получена благодаря сокращению стоимости жизненного цикла, улучшению эстетической привлекательности продукта, улучшению удобопользования и повышению эффективности*. Впечатляющий пример повышения эффективности с применением технологии послойного сплавления порошка алюминия: автомобильная головка блока цилиндров аддитивно произведённая немецкой компанией FIT (Рис. 1) Головки блоков цилиндров ДВС должны обеспечивать минимизацию трения, для оптимизации входящих и исходящих потоков газов, движения охлаждающей жидкости и гашения вибрации. А будучи высоконагруженными элементами при всём перечисленном должны иметь высокую прочность.

FIT было поручено разработать улучшенную версию ГБЦ гоночного автомобиля, которая отвечала бы требованиям к эффективности, и имела бы меньший вес. Дальнейший текст иллюстрирует, как проектирование для АТ максимизирует геометрическую свободу, и повышает эффективность создаваемых деталей.

• Здесь и далее под эффективностью понимается эффективность конструкций, т.е. способность детали выполнять заданные функции с заданными параметрами, при наименьших: весе, расходе материала, стоимости производства и пр.

Рис. 1— Оптимизированная головка блока цилиндров (фото от FIT)

Возможности проектирования

Основное достоинство "распечатанной" ГБЦ — это оптимизация потоков газов. Форма камеры сгорания, впускного и выпускного тракта могут быть оптимизированы с помощью компьютерного моделирования потоков. С помощью такого компьютерного моделирования можно оптимизировать потоки для снятия избытка тепла с камеры сгорания и выпускного тракта.

Важно заметить, что необходимость идти на компромиссы при оптимизации проектировуемых изделий, намного ниже при аддитивном производстве в сравнении с литьём, которое требует пологих углов деталей литейных форм. Аддитивные технологии позволяют оптимизировать циркуляцию охлаждающей жидкости, что является ключевым преимуществом перед литьем. С помощью АТ водяная рубашка и каналы для охлаждающей жидкости могут содержать в себе решетчатый каркас сложной структуры (рис.2). Это позволяет увеличить площадь поверхности и таким образом улучшить отдачу тепла от ДВС к охлаждающей жидкости. В случае с ГБЦ площадь поверхности увеличилась с 825 см2 до 10225 см2. В зависимости от конкретной решетчатой структуры, она также может создать турбулентный поток — ещё один аспект улучшения охлаждения. Это может дать дополнительное преимущество при использовании менее мощного водяного насоса, что уменьшит потери мощности двигателя.

Аддитивные технологии также помогли FIT оптимизировать вес головки блока цилиндров. Инженеры изготовили основной корпус головки увеличив толщину материала вокруг основных объёмов. Дополнительный материал добавил прочности детали и позволил лучше гасить вибрацию. Распределение материала определялось оптимизацией топологии и соотношением прочности и веса головки. В результате требуемые функциональные показатели были получены с использованием минимального количества материала. Благодаря оптимизации топологии вес головки был снижен с 5 кг до 1.8 кг.

В то время как конструкция ГБЦ представляет собой впечатляющее инженерное достижение, такой уровень сложности проектирования не даётся легко или быстро. БольшАя часть успеха заключалась в возможностях программного обеспечения — Selective Space Structures от netfabb GmBH, используемого для разработки органических форм и структур решетки.
Компьютерное моделирование потоков, оптимизация топологии и программное обеспечение для создания решетки могут быть дорогими и сложными в использовании. Они требуют значительных инвестиций в обучение, в сочетании с расходами на "этапе проб и ошибок", часто недоступными для небольших компаний.

Рис. 2 — Головка блока цилиндров двигателя с внутренней решетчатой структурой (фото от FIT)

Вызовы проектирования

АТ действительно предлагают интересные возможности в проектировании, но также создают уникальные проблемы. Математически оптимизированные формы, создаваемые программным обеспечением, не всегда могут быть реализованы. Например, важно знать минимально возможную толщину стенки или самое маленькое отверстие, которое может быть воспроизведено с помощью АТ. Кроме того, выступающие элементы должны поддерживаться дополнительными структурами во время аддитивного процесса; опоры необходимо впоследствии удалить, что важно учитывать.

Температурные напряжения также представляют собой еще одну проблему, особенно в процессе послойного сплавления порошкового металла. Здесь температурные напряжения могут привести к деформации детали, когда она будет отделена от поверхности построения.
Чтобы уменьшить деформацию, проектировщики часто добавляют дополнительные поддерживающие конструкции для удержания деталей и их элементов на поверхности построения. Однако добавление слишком большого количества таких конструкций создает дополнительную работу по их удалению; слишком мало поддержек приводит к скручивающей деформации. Оптимальная конструкция часто требует компромисса между реальностью и теоретически оптимальными формами, хотя степень этого компромисса обычно намного меньше, чем у обычных производственных процессов, таких как литье металлов.

Удаление порошка является еще одним критическим моментом. В случае с описанной выше головкой блока цилиндров порошок может заполнять все внутренние полости и отверстия. При выемке деталей из камеры построения, технический специалист должен удалить весь этот избыточный порошок. Поэтому проектировщики должны включать в проект дренажные отверстия и пути выхода, которые предотвратят "замуровывания" порошка внутри детали. Это требует тщательного проектирования размера и расположения отверстий и путей, а затем добавления их в CAD модель. Часто эти отверстия впоследствии необходимо заделывать, что требует времени и повышает стоимость.

Большинство проектировщиков и инженеров еще не получили формального образования и практики по проектированию для АТ. Следовательно, большинство компаний, рассматривающих АТ для производственного применения, сталкиваются с этим впервые. И хотя некоторые компании стихийно развели очаги знаний среди небольшой группы "первопроходцев" в своей компании, обычно эти "первопроходцы" представляют собой ограниченный ресурс. В итоге: спрос на образование и подготовку по проектированию для АТ превышает предложение.

Обучение в аэрокосмической промышленности

Чтобы удовлетворить потребность в образовании в одном сегменте аэрокосмической промышленности, Wohlers Associates провела два официальных класса по проектированию для АТ, для Центра космических полетов NASA Marshall. Четырехдневный класс, ориентированный на практическое обучение с использованием передовых методов проектирования, включая упрочнение деталей, оптимизацию топологии и решетчатые и сетчатые структуры. Второй класс, три дня, в основном сосредоточился на аддитивном производстве из металла.

Аддитивное производство предлагает множество возможностей для улучшения эффективности и веса конструкции. Используя специальные программные средства и методы, проектировщики могут добиться серьезных улучшений в сравнении с использованием обычных методов производства. Поскольку свобода проектирования намного выше с АТ, чем с обычными процессами, мы полагаем, что АТ найдет более широкое применение для разработки совершенно новых типов деталей и изделий, в том числе деталей автомобильных двигателей, которые во многом будут превосходить их предшественников.