Fraunhofer Institute for Additive Production Technology (IAPT) on osoittanut, kuinka 3D-tulostus voi parantaa teknistä suorituskykyä ja valmistuskustannuksia suunnittelemalla uudelleen luksusurheiluautojen ovensaranat.
Osan uudelleensuunnitteluprojektin aikana IAPT:n insinöörit optimoivat kaiken oven saranoiden geometriasta rakennussuuntaan ja prosessiparametreihin maksimoidakseen kustannus- ja painosäästöt.
Viime kädessä tämän työn tarkoituksena on tuoda valoa vähemmän ilmeisiin tekijöihin, jotka vaikuttavat 3D-tulostettujen osien kustannuksiin, ei vain itse komponenttien geometriaan.
Yksinkertaistaa auton tuotantoa
Autoteollisuus on yksi monista teollisuudenaloista, jotka ovat omaksuneet lisäainevalmistuksen vuosien varrella käyttämällä teknologiaa moniin eri sovelluksiin. Tähän mennessä monet käyttötapaukset ovat kuitenkin rajoittuneet pieniin eriin, koska 3D-tulostus ei ole vielä tarjonnut perinteisten autoteollisuuden tuotantoteknologioiden suorituskykyä – ilman, että samalla kunkin osan kustannukset ovat pysyneet alhaisina. Näin ollen Fraunhofer-projekti saattaa osoittaa, että teknologiaa kokonaisuutena käytetään tällä hetkellä vajaakäytössä autoteollisuudessa ja että suuren volyymin sarjatuotannon sovellukset ovat vielä lapsenkengissään.
Ensimmäinen vakiintunut käyttötapaus on nopea prototyyppien valmistus, sillä uuden mallin kehitysvaihe voi kestää jopa viisi vuotta. T&K:n aikana väistämättä kehitetään ja testataan useita osien prototyyppejä, mikä tarkoittaa nopeita suunnitteluiteraatioita minimaalisilla läpimenoajoilla: tämä on yksi lisäainevalmistuksen tärkeimmistä myyntivalteista.
Autovalmistajat käyttävät myös 3D-tulostettuja valmistustyökaluja, kuten jigejä ja kalusteita, auttamaan tuotanto- ja kokoonpanotyönkuluissa. On jopa potentiaalisia sovelluksia jälkimarkkinaosille, jotka kerran valettiin, mutta ovat nyt vanhentuneita. 3D-tulostuksen dynaaminen ja joustava luonne antaa osien toimittajille mahdollisuuden tulostaa tilauksesta, jolloin fyysisten komponenttien varaston tarve eliminoituu kokonaan.
3D tulostetut oven saranat
Ennen suunnittelutyön aloittamista Fraunhoferin insinöörit käyttivät 3D Sparkin, IAPT-spin-offin, kehittämää osien seulontaohjelmistoa tunnistaakseen esittelytutkimuksiin soveltuvat autonosat.
Projektin alkuvaiheessa tiimi tunnisti ensin kustannustehokkaimman suunnan komponenteille rakennushuoneessa. Insinöörit pohtivat tarvittavia tukirakenteita ja kuinka monta osaa ne mahtuisivat yhteen rakenteeseen. Tämä alkusuuntauksen optimointivaihe johti 15 prosentin kustannussäästöihin verrattuna 3D-tulostettuun rakennukseen ilman tällaisia näkökohtia.
Seuraavana on itse saranavarren topologian optimointi. Poistamalla tarpeeton materiaali ja vahvistamalla vain niitä osia, jotka tarvittiin simuloimaan voimavirtaa, insinöörit pystyivät vähentämään saranavarren painoa 35 prosenttia. Myöhemmät materiaalisäästöt ja lyhyemmät tulostusajat johtivat 20 prosentin lisäsäästöihin.
Fraunhofer-tiimi laski myös lisäsäästöjä, jotka liittyvät jälkikäsittelyn vähentämiseen (pienentämällä tukirakenteita) ja valitsemalla työhön parhaan metallijauhemateriaalin: 10 prosenttia kumpikin.
Mielenkiintoista on, että tutkimuksessa havaittiin, että jopa 3D-tulostusprosessissa käytetyt rakennusparametrit edistävät mahdollisia kustannussäästöjä. Esimerkiksi paksummat kerrokset, nopeammat skannausnopeudet ja lasersädeprofiilin muodonmuutos auttavat lyhentämään valmistusaikoja ja vähentävät tulostuskustannuksia vielä 15 prosenttia.
Viime kädessä tämä kustannuskeskeinen suunnittelutapa mahdollisti IAPT:n insinöörien 3D-tulostuksen saranan 80 prosenttia halvemmalla kuin sen 3D-tulostettu vastine ilman samaa optimointia. CNC-jyrsittyihin kollegoihinsa verrattuna projekti saavutti 50 prosentin kustannus- ja painosäästöt 35 prosenttia.