Posibilități de imprimare 3D în fabricarea vehiculelor feroviare

Panou de control al frânei imprimat

La Knorr-Bremse Budapesta, pot începe să aplice pentru prima dată fabricația bazată pe design, o nouă abordare care poate scăpa de constrângerile tehnologiei de fabricație tradiționale, concentrându-se pe funcția piesei date. Toate acestea prezic proiectarea și fabricarea componentelor care vor avea semnificativ mai puțină amprentă de carbon decât componentele lor actuale.

Tehnologia companiei care a fost utilizată pentru tipărirea metalelor 3D a primit ajutor profesional de la ei?

Attila Kovács - Director de dezvoltare: În timpul procesului de selecție, am selectat tehnologia companiei germane EOS dintre ofertanți. Alegerea noastră a fost susținută de dimensiunea spațiului de lucru și de serviciul adecvat și fundalul de asistență. Acest lucru a fost confirmat de performanța din timpul punerii în funcțiune și a întreținerii ulterioare. În plus față de asistența tehnică, ne-am bazat și pe serviciile oferite de companie în formarea și formarea continuă a colegilor.

Cum au selectat materia primă potrivită pentru pulbere, ce așteptări aveau despre aceasta?

Înainte de a selecta tehnologia, am analizat în ce gamă de produse echipamentele și materialele disponibile pe piață ar putea fi o alternativă. Am ajuns la concluzia că, pe baza dimensiunilor, componentele noastre mai mici din aluminiu au o șansă la tehnologie. Calitatea pulberii AlSi10Mg oferită de EOS îndeplinește pe deplin cerințele mecanice și este interschimbabilă cu calitatea materialelor utilizate anterior.

Cât durează tipărirea, în ce faze constă postprocesarea?

Barnabás Kékedi - Expert tehnic: Imprimarea este urmată de îndepărtarea pieselor de prelucrat de pe placa de bază a construcției și îndepărtarea completă a structurii de susținere. Există deja instrumente și proceduri pentru eliminarea automată, dar sunt destul de scumpe. În prezent se folosește finisarea manuală și este inclusă și sablarea, care îmbunătățește calitatea suprafeței. Astfel, pe lângă timpul de imprimare, timpul de producție al unei anumite piese include timpul de post-procesare, a cărui lungime depinde de complexitatea piesei, de cantitatea de substrat care trebuie îndepărtată și de timpul de sablare. sau alte îmbunătățiri ale calității suprafeței electrochimice. Acest lucru durează în total 2-3 săptămâni. În schimb, producția unei piese prin turnare convențională este un proces mult mai consumator de timp, deoarece necesită și un instrument de turnare care poate dura până la 15 săptămâni pentru a fi fabricat. Unul dintre marile avantaje ale tipăririi este că nu necesită instrumente.

Imprimarea 3D industrială oferă, de asemenea, noi posibilități interesante în fabricarea vehiculelor feroviare

Pentru imprimarea 3D, orientarea corectă a elementelor geometrice și amplasarea suporturilor sunt sarcini deosebit de importante. Ați experimentat acest lucru sau ați primit ajutor pentru el?

Attila Kovács: Procesul de educație și formare conține orientări pentru orientare și design optim. Ca în toate cazurile, cunoștințele reale sunt furnizate de practică. În cazul de față, acest lucru a însemnat tipărirea multiplă și optimizarea piesei, în timpul cărora am putut utiliza experiența noastră de imprimare anterioară, precum și experiența noastră de imprimare din plastic. De asemenea, vedem că această experimentare reprezintă o cheltuială semnificativă, așa că acum lucrăm la ce metodă de simulare pot fi suportați acești pași. În această vară, vom lansa un proiect pentru a introduce un software de simulare și vom desfășura studii preliminare pentru a face acest lucru. Cu noul software al viitorului și experiența acumulată în trecutul recent, Knorr-Bremse dobândește cunoștințe unice în cadrul grupului de companii, dar și în întreaga industrie.

Attila Metál - Manager de dezvoltare: Astăzi, mai mult de zece producători produc mașini prototip laser cu strat. Cel mai important producător și cel mai important dezvoltator în domeniul tipăririi metalelor este EOS GmbH germană, care a oferit asistență și asistență profesională. După instruirea de bază primită în timpul punerii în funcțiune a mașinii, s-a câștigat câteva luni de experiență și, pe baza acestui fapt, am primit și o pregătire avansată aprofundată cu privire la parametrii reglabili.

Gama de pulberi metalice care poate fi procesată cu tehnologia satisface nevoile mai multor industrii. Fără a dori să fie exhaustiv, este un amestec disponibil din comerț din pulberi inoxidabile, oțel pentru scule, aluminiu, titan și CoCr. Pe baza propriilor noastre măsurători și date din literatura de specialitate, se poate afirma că piesele realizate cu tehnologia DMLS nu rămân în urmă cu omologii lor realizați prin mijloace convenționale cu același conținut de aliaj din punct de vedere al proprietăților mecanice. Dimensiunea spațiului de lucru pentru construcție (250x250x290) determină dimensiunea piesei selectate pentru construcție. Multe dintre componentele Knorr-Bremse care trebuie încorporate în panourile de comandă a frânei sunt fabricate din aluminiu, iar pentru unele componente mai complexe, tehnologia aditivă face posibilă producerea unor geometrii care până acum au fost dificile sau imposibil de fabricat. În acest domeniu, tehnologia de imprimare 3D are în mod clar un avantaj: forma și designul determină producția, și nu invers.

Inspecție dinamică a panoului de control al frânei imprimate 3D

Cu această tehnologie, suntem capabili să integrăm structurile și funcțiile interne în piese pe care nu le-am putut face până acum cu metodele tradiționale de fabricație. Astfel, mai presus de toate, suntem capabili să producem serii mici de componente ușoare rapid și economic folosind tehnologia aditivă. La imprimarea pieselor, materialul suport este, de asemenea, fabricat din aceeași materie primă (în acest caz AlSi10Mg). Aceasta este o caracteristică inevitabilă a tehnologiei.

La determinarea orientării de imprimare a pieselor, trebuie luate în considerare succesul imprimării, calitatea piesei prelucrate și timpul de construcție. Intersecția acestor trei seturi trebuie găsită pentru fiecare componentă, ținând cont de economia tipăririi. Această abilitate se dobândește cel mai bine prin experiență.

Ce software de proiectare a fost folosit?

Attila Kovács: Am folosit sistemul CREO folosit la compania noastră pentru a produce geometria de bază și aplicațiile Material Magic și EOS Print, care sunt elementele standard ale procesului, pentru pregătirea și controlul ulterior al sistemului de sprijin și orientare. Într-un alt proiect, ne-am confruntat cu faptul că, în majoritatea cazurilor, utilizarea sistemelor de proiectare CAD de bază este greoaie, de exemplu, merită să folosiți modulele suplimentare adecvate pentru a crea geometrii portante cu o structură de tip fagure. Astăzi, aproape fiecare sistem major de proiectare are un astfel de modul suplimentar. O realizare importantă a ingineriei din ultima perioadă este capacitatea de a optimiza software-ul de proiectare existent pentru nevoile industriei noastre și imprimarea 3D.

Attila Metál: Am folosit Creo Parametric 4 pentru crearea modelului, proiectarea și calculul elementelor finite și Altair Inspire 2019 pentru optimizarea topologică.

Cât a durat faza de planificare și care a fost cea mai mare provocare?

Attila Kovács: Proiectare și optimizare iterativă a imprimabilității și conductelor de aer fără suport intern, precum și realizarea rigidității corespunzătoare a structurii.

Attila Metál: Ne-am confruntat cu cea mai mare provocare la început: cum să-i facem față, cum să abordăm designul noii construcții? A trebuit să uităm cu totul principiile de construcție tradiționale (bazate pe tăiere), a trebuit să ieșim din planurile noastre de gândire anterioare, a trebuit să începem proiectarea pe baza altor aspecte: cum plasăm conexiunile dispozitivelor în spațiu? Cum putem optimiza spațiul? Ar trebui să-l formăm în jurul unui centru într-o bază stelară sau să creăm spații dreptunghiulare și să plasăm submodulii acolo? Am creat un schelet, un schelet și am simulat conexiuni pneumatice pentru a forma spline în jurul lor, a le muta în spațiu și a calcula modul în care volumul se schimbă. Rezultatul final al unei iterații de mai multe săptămâni a fost aspectul rezultat, care a devenit definitiv doar după ce au fost create multe, multe modele.

Ce probleme mai trebuie rezolvate pentru producția de serie?

Attila Kovács: În faza anterioară, am imprimat câte o bucată pe rând, pentru a crește eficiența, este o sarcină să tipăriți mai multe produse în același timp și să asigurați aceeași calitate a pieselor rezultate, similar cu problema instrumente multi-cuib. În timpul producției de prototipuri, curățarea și degajarea suprafețelor interne nu păreau a fi o provocare majoră, dar ar trebui pus mai mult accent pe aceasta în condiții seriale.

Procesul de asamblare este diferit de asamblarea unei unități standard din aluminiu?

Péter Andráczi - Șef de echipă de inginerie de proces: Doar minim, a existat o diferență în aderența piesei de prelucrat datorită geometriei complet unice a plăcii de bază, orice altceva s-a întâmplat la fel ca în cazul panoului forat.

Modul în care fiecare test funcțional se bazează unul pe celălalt?

Testul funcțional se efectuează în conformitate cu procedura de testare definită de proiect, al cărui prim pas este măsurarea scurgerilor, care este necesară deoarece, dacă modulul se scurge undeva, testul funcțional nu este necesar. După măsurarea scurgerilor, verificăm dacă rezervoarele conectate la prize sunt umplute de modul în timpul specificat.

Ce valori au constituit principalul accent al simulării elementelor finite?

Zoltán Márton - Analist tehnic, lider de grup: În timpul simulării elementelor finite, primul pas a fost verificarea rigidității produsului cu ajutorul analizei modale. În timpul dezvoltării produsului, accentul a fost pus în acest sens pe evitarea intervalului critic de frecvență cauzat de vibrațiile în serviciu. Gama de frecvență critică și nivelul vibrațiilor pentru defecțiuni depind de locația de instalare a produsului în vagonul feroviar, valorile bazate pe datele de măsurare sunt disponibile în standardele internaționale. Deoarece produsul realizat cu tehnologie de fabricație aditivă are vizibilitate mai redusă decât rigiditatea produsului tradițional, sarcina noastră a fost să găsim echilibrul optim între reducerea greutății (îndepărtarea materialului) și rigiditatea potrivită.

Ca al doilea pas al simulării elementelor finite, solicitările mecanice cauzate de sarcinile de accelerație din exploatarea căii ferate au fost investigate în termeni de eșec static și de oboseală. Întrucât rezistența mecanică a pieselor imprimate 3D este încă un domeniu activ de cercetare, rezistența produsului în acest domeniu a fost estimată prin metode tradiționale de tehnologie de fabricație pentru moment datorită lipsei proprietăților materialului mecanic pe deplin disponibile și a metodelor de evaluare mature. .

Dezvoltarea produsului este încă în desfășurare sau panoul de frână terminat este deja un model final?

[Attila Kovács] Acest tip poate fi considerat definitiv. În plus față de rezultate, am învățat cum să creăm o soluție tipărită 3D pentru un produs în care rata de variație este ridicată, iar numerele de producție și programele permit utilizarea tehnologiei.

[Attila Metál] Acest panou de control poate fi considerat un model final, deoarece a fost testat și validat, dar acesta a fost doar primul pas în dezvoltarea tehnologică: am început să proiectăm sisteme mai complexe cu acest panou, inclusiv mai multe dispozitive pneumatice și electrice conexiuni. Aici am întâlnit probleme noi, până acum necunoscute și căutăm soluții de construcție. Adunând experiența și liniile directoare într-un manual de construcție, mergem înainte cu pas. Obiectivul nostru este de a realiza o reducere a greutății și a volumului în toate tipurile și dimensiunile unităților de control datorită designului pentru imprimare 3D.

În plus față de simulare, au fost efectuate și teste reale și rezultatele acestora?

Gergely Nagy - Lider de echipă de testare: Testele reale efectuate au validat procesele noastre de proiectare și producție, nu am descoperit erori în timpul testării. Rezultatele obținute au fost în acord cu valorile așteptate obținute în urma simulării elementelor finite de control anterioare.

Structura panourilor de control

Modulul de comandă este format din unități pneumatice și electropneumatice montate pe un panou comun. Găurile din panou asigură conexiuni de aer ca conducte de aer. Modulul de comandă este furnizat prin conexiunea pneumatică, supapa de presiune din sistem setează presiunea de funcționare corectă, iar cele două electrovalve controlează aerul reglat la unitatea de șlefuire.