Реферат аддитивные технологии в автомобилестроении
Обновлено: 02.07.2024
Аддитивные технологии наращивают темпы внедрения в нашу жизнь. Все чаще можно увидеть предметы, в производстве которых использовались аддитивные технологии. В этой статье Вы узнаете что это, зачем это нужно и где это применяется.
Аддитивные технологии — это технологии наращивания и синтеза объектов. То есть это технологии, помогающие создать любую форму, используя порошок из металла.
Технология была разработана в 1990 году. Начальным развитием технологии является быстрое создание прототипов для оценки эргономических и эстетических особенностей будущей серийной модели. Несмотря на то, что технологии уже 30 лет, популярность она начала набирать в последние 10 лет.
Аддитивные технологии включают в себя множество методов с разными целями применения.
Говоря простым языком, это наращивание одного материала на другой посредством послойного наплавления лазером через сопло подачи порошка в порошковой камере. Говоря еще проще, это 3D-печать металлическим порошком.
Во-первых, это бесконечные возможности. То есть можно нарастить деталь любой формы. Например, создать деталь с огромным количеством конформных или интегрированных каналов для охлаждения в изготовлении пресс-форм или теплоотвода в двигателях внутреннего сгорания. Также напечатанные детали получаются легче на 60%, чем вырезанные классическим способом аналогичные детали. Это особенно важно в аэрокосмической и медицинской отраслях.
Деталь, обработанная классическим способом из цельного куска металла, и деталь, напечатанная на принтере
Во-вторых, это экономия на материалах. Наращивание металлическим порошком намного дешевле, нежели классическая обработка цельного куска металла.
В-третьих, это сокращение времени на разработку, потому что функциональные прототипы могут быть изготовлены буквально за день. Стоит отметить, что материалы можно использовать те же, что и при серийном производстве.
Основной принцип этого метода — послойное нанесение материала на уже существующую базу. Особенностью данного принципа является одновременное наплавление комбинации разных материалов посредством лазера. Говоря проще, лазер плавит металлический порошок образуя дорожки. Множество дорожек образуют сплошной слой.
1. Создание детали с нуля. Последовательное наплавление дорожек друг на друга для создания сплошной структуры.
2. Нанесение материалов на существующие. После изготовления детали необходимо нанести антикоррозийный или износостойкий слой на поверхность детали. При помощи лазерной сварки наплавлением данный слой будет наиболее долговечным, нежели традиционное напыление.
3. Ремонт деталей. Зачастую дорогостоящая деталь ломается по той или иной причине. Разработка и вытачивание детали с нуля долго и дорого, а деталь нужна здесь и сейчас. Благодаря возможности наплавления слоя на уже существующую деталь (в нашем случае на поврежденную), отремонтировать деталь можно быстро и недорого.
4. Создание трубчатых структур. Наплавление производится слоями, тем самым можно нарастить трубчатую изогнутую структуру любой формы. Металлические, легкие и изогнутые трубки пользуются огромным спросом в аэрокосмической отрасли, где все зависит от веса и прочности каждого элемента конструкции.
5. Комбинация материалов и создание градиентных. Исходя из технологии, через 2 сопла подается 2 металлических порошка, которые плавятся под действием лазера. Это редкая возможность комбинировать 2 металла для создания детали, которая будет обладать преимуществами каждой из них.
Разберем пример создания коленного импланта. Для начала фрезеруется деталь-платформа для коленного импланта (она гладкая и глянцевая на детали). Это занимает ровно 12 минут на 1 деталь. После чего на эту платформу наращивается основная часть импланта. За 9 часов можно нарастить 9 имплантов.
Таким образом, за 9 часов и 12 минут будут готовы импланты, которые вернут людям возможность ходить. Кстати, верхний коленный имплант (над красным кругом) также был напечатан на станке, однако фрезерная обработка была совершена после печати, а не до в сравнении с нижним коленным имплантом.
Аддитивное производство активно применяется в авиакосмической отрасли, потому что можно создавать легкие компоненты необычных форм, с возможностью комбинации материалов для улучшений свойств, таких как теплопроводность и прочность деталей. Для получения идеальной детали необходимо применять иную обработку. В галерее Вы можете увидеть поэтапное создание корпуса турбины для авиастроения.
Подытожим. Аддитивное производство развивается стремительными темпами, дополняя традиционное создание деталей, а местами даже заменяя его. Уже в ближайшем будущем найдутся решения, которые обратят недостатки наращивания деталей в преимущество, и тогда уже можно будет говорить о полноценной замене традиционной фрезерной и токарной обработке.
На сегодняшний день мы имеем следующие общие преимущества и недостатки, связанные с аддитивными технологиями.
1. Создание объекта всего за одну процедуру печати.
2. Возможность создания объектов, которые невозможно сделать при традиционной обработке. Например, полые изнутри объекты, часто применяемые в изготовлении протезов.
3. Построение объектов любой сложности, с минимальными временными затратами на приготовление процесса из-за отсутствия необходимости в разработке технологического процесса.
4. Построение объекта, элементы которого сделаны с использованием разных материалов.
1. Из-за особенности наращивания деталей в структуре могут быть мелкие поры, которые недопустимы для хранения некоторых жидкостей, например, гелия.
2. По сравнению с цельным куском металла, который был обработан точением и сверлением, наращенный металлический порошок имеет сравнительно меньшую прочность из-за своей структуры.
3. Дорогостоящие расходные материалы. При наращивания используется большое количество металлического порошка, а также инертных газов.
4. При быстрой печати возможны неточности в производстве, которые в последствии необходимо устранять традиционной обработкой.
5. Деталь имеет множество лишних структур, нужные в качестве поддержки. Решается эта проблема при помощи фрезерного/токарного станка или ручной обработкой. Некоторые станкостроительные компании предлагают гибридные станки, сочетающие в себе аддитивные и фрезерные технологии.
Спасибо специалистам из DMG MORI за консультации по теме аддитивных технологий.
Офигенно, спасибо! Очень интересно.
А можно следующую статью про выращивание монокристаллов? Насколько я понимаю, там как раз получается добиться максимальной жесткости структуры. Смотрел видео про историю металлообработки и там в конце рассказывали как выращивать форсунки авиационных турбореактивных двигателей.
Аддитивные технологии на молекулярном уровне сулят фантастическими прорывами в технологиях.
А как такие изделия в плане сопромата?
Основная задача аддитивных технологий - получить деталь нужной (сложной) формы как можно быстрее с относительной плотностью максимально близкой к 100%. Механические свойства определяются химическим составом материала и его структурой. Хим. состав у нас зависит от порошка - считаем что мы сравниваем один и тот же материал что при аддитивном производстве, что при традиционном. Далее говорим о структуре - тут мы имеем возможность провести термообработку и получить ту структуру которая необходима.
Поэтому:
1. При сравнении с литыми изделиями - механические свойства выше.
2. При сравнении с конструкционными изделиями - механические свойства находятся приблизительно на одном уровне, могут немного отличаться как вниз так и вверх. Однако при аддитивном производстве сейчас идет переработка всех сплавов, и это означает что те материалы, которые было трудно обрабатывать резанием и они не использовались, но имеют отличные механические характеристики, можно использовать для 3D печати. Поэтому аддитивным методом мы имеем возможность получать изделия с более высокими механическими характеристиками.
Лихтенфельс, Германия, 11 апреля 2016 г. Перед современным автомобилестроением встала задача: создать несущую конструкцию автомобиля, рассчитанную на различные варианты двигателей и энергоаккумулирующих систем, которых становится все больше. Кузов автомобиля завтрашнего дня должен быть не только легче, чем сейчас.
Прежде всего, необходима конструкция с высоким уровнем адаптируемости — учитывая множество типов альтернативных двигателей, выпускающихся малыми партиями. Соответственно, расширяется модельный ряд автомобилей, а значит, необходима разработка адаптируемых вариантов кузовов, экономичных в производстве. Уже в обозримом будущем возможны принципиально новые подходы к решению этих задач — благодаря аддитивному производству.
Предложенная немецкой конструкторской компанией EDAG концептуальная модель Light Cocoon представляет собой компактный спортивный автомобиль. Его каркас, выполненный по принципам бионики и изготовленный по аддитивным технологиям, облицован снаружи водонепроницаемой тканью. Проект EDAG Light Cocoon представили в Женеве на выставке Geneva Motor Show (март 2015 г.) и во Франкфурте на международной выставке International Motor Show (сентябрь 2015 г.). Разработка призвана спровоцировать дизайнеров на полярно противоположные мнения, так как разрушает сформировавшиеся в автомобилестроении стереотипы. Так, например, за счет бионических элементов каркаса удалось снизить массу кузова. Концепция не только воплотила в себе технологический потенциал аддитивного производства, но и продемонстрировала экологически рациональный подход к автомобилю.
Технологическое решение: каркасный кузов NextGen объединил малый вес и универсальность; функциональный бионический каркас легок и адаптируется к требованиям производства
Каркасный кузов NextGen в деталях
Каркас NextGen собран из полученных по аддитивной технологии узловых 3D-элементов и обработанного на лазерном оборудовании стального профиля. Узловые элементы можно изготавливать на предприятии — для нужной модификации и в нужной последовательности (just in sequence, JIS). Профилю придают нужную форму и длину: сначала по технологии гибки свободных форм, затем на установках двух- и трехмерной лазерной резки (2D/3D). Задача — соединить между собой отдельные компонен
ты так, чтобы получить гибридный каркас с оптимальной топологией, что до сих пор не представлялось возможным. Для этого используется лазерная сварка, которая может обеспечить сварные швы сложной формы без риска перегрева. Детали соединяют внахлестку и сваривают угловым швом. Аддитивные узловые элементы плотно охватывают профиль по всему геометрическому контуру — для этого с него предварительно снимают 3D-замеры. При таком соединении возможна кольцевая сварка швов большой протяженности с высокой точностью совмещения деталей: узловой элемент автоматически юстирует профиль и фиксирует его. В производстве используется лазерный модуль высокой яркости с управляемой компьютером оптической частью. Стоит отметить, что лазерные технологии обработки профиля и узлов при сборке можно в значительной степени автоматизировать.
Предложенная концепция отличается большим потенциалом по сокращению производственных затрат и экономии времени. Выпускаемые по аддитивной технологии узловые элементы можно адаптировать с учетом различных уровней нагрузки, в т. ч. за счет добавления дополнительных элементов жесткости в модификации, где нагрузки высоки. Соответственно, каждая модификация проектируется с учетом оптимальной массы и функциональности как гибридная конструкция: в каркасе отрезки профилей имеют необходимую длину и сочленяют узловые элементы. Параметры и тех, и других рассчитываются в CAE/CAD-программах, что гарантирует соответствие техническим требованиям к кузову.
В рамках проекта EDAG Engineering отвечала за разработку и оптимизацию каркаса, а также за общую координацию, Laser Zentrum Nord — за лазерную сварку, BLM Group — за гибку и лазерную резку. Компания Concept Laser взяла на себя аддитивное производство узловых элементов. Успешная реализация концепции стала возможной только благодаря сотрудничеству партнеров из разных отраслей и высочайшему уровню квалификации их специалистов.
Аддитивное производство узлов каркаса NextGen
Технология LaserCUSING от Concept Laser предназначена для послойного формирования изделий на базе данных из файлов 3D CAD. По этой технологии можно выпускать детали сложной геометрической формы без использования инструмента. Более того, можно выпускать такие детали, которые невозможно либо крайне сложно воспроизвести на традиционном производстве. Узловые элементы нельзя получить стальным литьем.
Чтобы гарантировать отсутствие дефектов в изделии, для плоскостей с углом наклона менее 45° по отношению к рабочей платформе необходимы структуры поддержки. Помимо поддержки такие структуры снимают внутренние напряжения, предотвращая деформацию деталей. Учитывая сложную геометрию узловых элементов, качественная подготовка структур поддержки критична для успешного производства. Добавив структуры поддержки, деталь разрезают в программе на отдельные слои. Данные поступают в комплекс LaserCUSING, настраиваются параметры, и запускается процесс печати. Узловые элементы были получены на комплексе Concept Laser X line 1000R с лазером 1 кВт, рабочая зона которого (630 x 400 x 500 мм 3 ) по размерам соответствовала задачам проекта. Более крупной рабочей зоной для послойного лазерного плавления металлов оснащена только новая модель X line 2000R (800 x 400 x 500 мм 3 ) с двумя лазерами по 1 кВт, тоже производства Concept Laser.
Выводы: цифровое 3D-производство с лазерными технологиями
Предложенная концепция каркаса автомобильного кузова объединяет преимущества 3D-печати, включая адаптируемость и легкость изделий, с эффективностью положительно зарекомендовавших себя традиционных конструкций из профиля. Обе технологии основаны на применении лазеров. Полученные узловые элементы характеризуются оптимальной топологией: с одной стороны, это высокая степень многофункциональности, с другой — минимально возможная на сегодняшний день масса. И узловые элементы, и отрезки профилей адаптируются к новым формам и нагрузкам без дополнительных издержек. Каждую деталь можно проектировать с учетом конкретных параметров, а не подгонять, как ранее, под наибольшие нагрузки или самый мощный двигатель. Таким образом, есть возможность подобрать наилучшую конструкцию из узловых элементов и профиля для модели с конкретными параметрами. Результатом становится каркас с оптимальным распределением нагрузки. Задействуя производственные технологии, не требующие большого количества оборудования и инструмента, в будущем можно будет экономически выгодно выпускать легко адаптируемые кузова автомобилей.
EDAG Engineering
Laser Zentrum Nord
Группа BLM
Группа компаний BLM - признанный лидер в сфере автоматических комплексов для обработки труб: 2D- и 3D-лазерная резка, раскрой, гибка, формовка, замеры. Девизы компании "Трубы - это мы" и "Все в комплексе" отражают знания и опыт в производстве деталей из труб. Здесь рассчитывают упростить и удешевить производство для заказчиков из самых разных отраслей: автомобилестроение, интерьер и отделка, гражданские и промышленные системы отопления и кондиционирования, с/х техника, мотоциклы, строительство, механика и пр. Разработка, проектирование и производство систем BLM осуществляются исключительно силами трех итальянских предприятий группы: BLM, Adige и Adige-Sys. Через сеть филиалов и сервисных центров компания со штатом из более чем 500 сотрудников представлена во многих странах мира. При разработке новых продуктов и решений здесь неизменно ориентируются на инновации как источник дополнительных выгод для заказчика. Именно поэтому BLM постоянно инвестирует значительную часть доходов в исследования и разработки, принимает участие в инновационных проектах.
Перед современным автомобилестроением встала задача: создать несущую конструкцию автомобиля, рассчитанную на различные варианты двигателей и энергоаккумулирующих систем, которых становится все больше. Кузов автомобиля завтрашнего дня должен быть не только легче, чем сейчас.
Прежде всего, необходима конструкция с высоким уровнем адаптируемости — учитывая множество типов альтернативных двигателей, выпускающихся малыми партиями. Соответственно, расширяется модельный ряд автомобилей, а значит, необходима разработка адаптируемых вариантов кузовов, экономичных в производстве. Уже в обозримом будущем возможны принципиально новые подходы к решению этих задач — благодаря аддитивному производству.
Предложенная немецкой конструкторской компанией EDAG концептуальная модель Light Cocoon представляет собой компактный спортивный автомобиль. Его каркас, выполненный по принципам бионики и изготовленный по аддитивным технологиям, облицован снаружи водонепроницаемой тканью. Проект EDAG Light Cocoon представили в Женеве на выставке Geneva Motor Show (март 2015 г.) и во Франкфурте на международной выставке International Motor Show (сентябрь 2015 г.). Разработка призвана спровоцировать дизайнеров на полярно противоположные мнения, так как разрушает сформировавшиеся в автомобилестроении стереотипы. Так, например, за счет бионических элементов каркаса удалось снизить массу кузова. Концепция не только воплотила в себе технологический потенциал аддитивного производства, но и продемонстрировала экологически рациональный подход к автомобилю.
Технологическое решение: каркасный кузов NextGen объединил малый вес и универсальность; функциональный бионический каркас легок и адаптируется к требованиям производства
Каркасный кузов NextGen в деталях
Каркас NextGen собран из полученных по аддитивной технологии узловых 3D-элементов и обработанного на лазерном оборудовании стального профиля. Узловые элементы можно изготавливать на предприятии — для нужной модификации и в нужной последовательности (just in sequence, JIS). Профилю придают нужную форму и длину: сначала по технологии гибки свободных форм, затем на установках двух- и трехмерной лазерной резки (2D/3D). Задача — соединить между собой отдельные компоненты так, чтобы получить гибридный каркас с оптимальной топологией, что до сих пор не представлялось возможным. Для этого используется лазерная сварка, которая может обеспечить сварные швы сложной формы без риска перегрева. Детали соединяют внахлестку и сваривают угловым швом. Аддитивные узловые элементы плотно охватывают профиль по всему геометрическому контуру — для этого с него предварительно снимают 3D-замеры. При таком соединении возможна кольцевая сварка швов большой протяженности с высокой точностью совмещения деталей: узловой элемент автоматически юстирует профиль и фиксирует его. В производстве используется лазерный модуль высокой яркости с управляемой компьютером оптической частью. Стоит отметить, что лазерные технологии обработки профиля и узлов при сборке можно в значительной степени автоматизировать.
Предложенная концепция отличается большим потенциалом по сокращению производственных затрат и экономии времени. Выпускаемые по аддитивной технологии узловые элементы можно адаптировать с учетом различных уровней нагрузки, в т. ч. за счет добавления дополнительных элементов жесткости в модификации, где нагрузки высоки. Соответственно, каждая модификация проектируется с учетом оптимальной массы и функциональности как гибридная конструкция: в каркасе отрезки профилей имеют необходимую длину и сочленяют узловые элементы. Параметры и тех, и других рассчитываются в CAE/CAD-программах, что гарантирует соответствие техническим требованиям к кузову.
В рамках проекта EDAG Engineering отвечала за разработку и оптимизацию каркаса, а также за общую координацию, Laser Zentrum Nord — за лазерную сварку, BLM Group — за гибку и лазерную резку. Компания Concept Laser взяла на себя аддитивное производство узловых элементов. Успешная реализация концепции стала возможной только благодаря сотрудничеству партнеров из разных отраслей и высочайшему уровню квалификации их специалистов.
Аддитивное производство узлов каркаса NextGen
Технология LaserCUSING от Concept Laser предназначена для послойного формирования изделий на базе данных из файлов 3D CAD. По этой технологии можно выпускать детали сложной геометрической формы без использования инструмента. Более того, можно выпускать такие детали, которые невозможно либо крайне сложно воспроизвести на традиционном производстве. Узловые элементы нельзя получить стальным литьем.
Чтобы гарантировать отсутствие дефектов в изделии, для плоскостей с углом наклона менее 45° по отношению к рабочей платформе необходимы структуры поддержки. Помимо поддержки такие структуры снимают внутренние напряжения, предотвращая деформацию деталей. Учитывая сложную геометрию узловых элементов, качественная подготовка структур поддержки критична для успешного производства. Добавив структуры поддержки, деталь разрезают в программе на отдельные слои. Данные поступают в комплекс LaserCUSING, настраиваются параметры, и запускается процесс печати. Узловые элементы были получены на комплексе Concept Laser X line 1000R с лазером 1 кВт, рабочая зона которого (630 x 400 x 500 мм 3 ) по размерам соответствовала задачам проекта. Более крупной рабочей зоной для послойного лазерного плавления металлов оснащена только новая модель X line 2000R (800 x 400 x 500 мм 3 ) с двумя лазерами по 1 кВт, тоже производства Concept Laser.
Выводы: цифровое 3D-производство с лазерными технологиями
Предложенная концепция каркаса автомобильного кузова объединяет преимущества 3D-печати, включая адаптируемость и легкость изделий, с эффективностью положительно зарекомендовавших себя традиционных конструкций из профиля. Обе технологии основаны на применении лазеров. Полученные узловые элементы характеризуются оптимальной топологией: с одной стороны, это высокая степень многофункциональности, с другой — минимально возможная на сегодняшний день масса. И узловые элементы, и отрезки профилей адаптируются к новым формам и нагрузкам без дополнительных издержек. Каждую деталь можно проектировать с учетом конкретных параметров, а не подгонять, как ранее, под наибольшие нагрузки или самый мощный двигатель. Таким образом, есть возможность подобрать наилучшую конструкцию из узловых элементов и профиля для модели с конкретными параметрами. Результатом становится каркас с оптимальным распределением нагрузки. Задействуя производственные технологии, не требующие большого количества оборудования и инструмента, в будущем можно будет экономически выгодно выпускать легко адаптируемые кузова автомобилей.
EDAG Engineering
Laser Zentrum Nord
Группа BLM
Группа компаний BLM - признанный лидер в сфере автоматических комплексов для обработки труб: 2D- и 3D-лазерная резка, раскрой, гибка, формовка, замеры. Девизы компании "Трубы - это мы" и "Все в комплексе" отражают знания и опыт в производстве деталей из труб. Здесь рассчитывают упростить и удешевить производство для заказчиков из самых разных отраслей: автомобилестроение, интерьер и отделка, гражданские и промышленные системы отопления и кондиционирования, с/х техника, мотоциклы, строительство, механика и пр. Разработка, проектирование и производство систем BLM осуществляются исключительно силами трех итальянских предприятий группы: BLM, Adige и Adige-Sys. Через сеть филиалов и сервисных центров компания со штатом из более чем 500 сотрудников представлена во многих странах мира. При разработке новых продуктов и решений здесь неизменно ориентируются на инновации как источник дополнительных выгод для заказчика. Именно поэтому BLM постоянно инвестирует значительную часть доходов в исследования и разработки, принимает участие в инновационных проектах.
Прогрессивных инновационных течений в машиностроении много. И аддитивные технологии – одно из наиболее реальных и действенных. Суть этого сложного на первый взгляд понятия проста: производство на основе послойного моделирования. По-другому сегодня это называется 3D печатью.
Принтеры, создающие полноценный трехмерный объект, ещё недавно казались чем-то из области фантастики. Но уже сейчас с их помощью производят игрушки, предметы обихода и даже мебель. В будущем подобные машины, возможно, смогут воспроизводить человеческие органы. Но зачем они нужны в машиностроительной отрасли?
Аддитивные технологии: кратко и по существу
Чаще всего термин трехмерной печати употребляется в описании производства изделий из пластмассы или синтетических материалов. Но есть и другой формат техники, способной создавать металлические предметы. Сегодня разработана модель лазерного принтера, работающего на платформе AutoCAD. В качестве сырья здесь используется смесь мелкодисперсной стальной стружки, смешанной с вязкой сыпучей субстанцией. Печатная головка принтера помещается в резервуар с исходным сырьем, которое под воздействием лазера расплавляется, послойно образуя необходимый объект.
Подобное оборудование – находка для машиностроительной отрасли. С его помощью можно создавать детали со сложной конструкцией, которые будут полностью соответствовать чертежам. Кроме того, особый состав сырья обеспечивает будущим изделиям высокую степень прочности и износостойкости. Благодаря аддитивным технологиям предприятиям смогут значительно сэкономить на комплектующих, а также смогут вывести существующую технику на новый уровень за счет применения механизмов, создать которые до сегодняшнего дня было невозможно из-за отсутствия требуемых деталей сложной конструкции.
3D-технологии в машиностроении: примеры и преимущества
Многие предприятия уже применяют аддитивные технологии на практике. К примеру, UTC Aerospace Systems использует их в производстве деталей самолетов. Немецкая гоночная ассоциация HTW Moto sport тестирует 3D-принтеры с целью последующего применения их в изготовлении систем воздушного охлаждения двигателей. А некоторые предприятия, в том числе Kor Ecologic и Local Motors, разрабатывают концепты автомобилей, большая часть которых будет создана с помощью объемной печати из вторичных отходов.
Чем же в конечном итоге аддитивные технологии смогут способствовать развитию машиностроительной отрасли?
1. Создание принципиально новых деталей из инновационных материалов, что даст возможность разрабатывать механизмы и системы, которые не использовались ранее
2. Снижение брака и уменьшение численности сотрудников – 3D-принтер работает по полуавтоматическому принципу.
3. Использование в качестве сырья вторичных полимерных и металлических отходов, что обеспечит экономию и сохранение окружающей среды.
За аддитивными технологиями стоит будущее. И если они помогут не только увеличить объем производства современного машиностроения, но и сделать выпускаемую технику более эффективной и качественной, то это станет толчком к улучшению деятельности и в смежных сферах.
Читайте также: