3D tištěná versus obráběná?

O co v práci, která získala hned dvě prestižní ocenění, šlo, se dozvíme v tomto článku. Zabývá se porovnáním dvou prototypů zadní těhlice řízení pro studentskou formuli. Při návrhu obou dílů byly použity softwarové nástroje MKP a topologická optimalizace.

Pro jednu ze součástí byla zvolena výroba konvenčním frézováním, přičemž tvar musel být jednodušší. Topologický optimalizační software byl použit pro druhou variantu a součást byla navržena tak, aby materiál byl opravdu jen v místech přenosu zatížení.

Druhý díl byl vyroben pomocí 3D tisku (konkrétně SLM). Pro stanovení skutečné tuhosti obou prototypů byly provedeny nedestruktivní zátěžové testy. Srovnání technologie SLM s technologií frézování bylo provedeno na základě výsledků zkoušek a dalších aspektů, jako jsou výrobní náklady, výrobní časy apod. Závěr nám řekne, zda je technologie SLM vhodná pro přímou výrobu součástí, jako je např. zadní těhlice vozidla.

Topologická optimalizace pracuje většinou na principu minimalizace objektivní funkce. Tou může být např. objem nebo hmotnost optimalizovaného dílce. Minimalizace se dociluje prostřednictvím designové proměnné, tedy hustoty elementů počáteční sítě, která představuje „obálku“ optimalizovaného tvaru. Výpočet se řídí okrajovými podmínkami, což jsou typicky zadaná maximální posunutí zvolených uzlů nebo maximální napětí. Tyto hodnoty poté vyhodnocuje na základě stejných principů, jakými pracuje MKP.

Stručně se dá proces optimalizace shrnout do následujících kroků:

1. Tvorba modelu z konečně-prvkové sítě.
2. Rozdělení sítě na pevnou a volnou část. Pevná část obsahuje elementy, do kterých optimalizace nebude zasahovat, tvar této části se tedy nezmění (červená). Naopak část s volnými elementy je ta, jejíž tvar se bude jednotlivými iteracemi během výpočtu měnit (modrá).
3. Zavedení zatížení, vazeb a O.P., a spuštění výpočtu.
4. Zamaskování elementů s hustotou pod zvolený práh (např. 60 %).
5. Úprava optimalizovaného (tzv. organického) tvaru v CAD programu.
6. MKP analýza upraveného optimalizovaného tvaru.
7. Případná další optimalizace, např. optimalizace tvaru.

Jednotlivé kroky návrhu součásti s použitím TO (Zdroj Altair Engineering)

Princip metody 3D tisku kovů Selective Laser Melting není založen na pouhém spékání kovových prášků, ale na jejich plném tavení. Díky tomu lze získat strukturu výsledného materiálu velmi podobnou struktuře materiálu u odlévání. V průběhu tisku je nanesena tenká vrstva kovového prášku na podkladovou desku a následně je laserem po jednotlivých trajektoriích tavena plocha (tvaru řezu) potřebná pro postupné utvoření finálního dílce. Zároveň je také budován podpůrný materiál, který je po dokončení nutné odstranit. Takto se proces vrstvu po vrstvě opakuje, dokud není vystavěn finální tvar dílce. Tento způsob výroby umožňuje vytvářet díly téměř jakéhokoliv tvaru.

Z výše uvedeného vyplývá, že propojit topologickou optimalizaci a 3D tisk kovů je ideální postup. Lze tímto získat funkční díly o minimální hmotnosti při splnění pevnostních požadavků. Nabízí se též využití moderních materiálů, které jsou lehčí, avšak současně těžkoobrobitelné. Při 3D tisku se spotřebuje méně materiálu a současně vzniká méně odpadu než při třískovém obrábění. Tento postup je tedy současně ekologičtější.

Pro návrh CAD modelu těhlice byl použit sofware CREO. Prvotní geometrie vycházela z modelu sestavy uložení levého zadního kola. První návrh vytvořil konstruktér dle své intuice s ohledem na způsob výroby frézováním. Následně byla provedena výpočtová analýza tohoto modelu pro zjištění maximálního napětí v sw Altair OptiStruct.

K návrhu těhlice, která byla vyráběna 3D tiskem, se přistupovalo odlišně. Bylo využito nástroje topologické optimalizace. Vstupní CAD model je složen ze dvou částí. První je tzv. obálka, která ohraničuje pole optimalizované (volné) geometrie. Druhá část CAD modelu je pevná geometrie, která následně optimalizaci nepodléhá.Obálka tvoří maximální možný prostor, kam části těhlice mohou doléhat, aniž by kolidovala s ostatními díly vozu. Pevnou geometrií jsou místa uložení kulových čepů, ložisek náboje a brzdového třmenu.

Obálka volné geometrie (zelená) a pevná geometrie (zlatá)

Pro vlastní proces topologické optimalizace (opět využit sw Altair OptiStruct) bylo třeba vytvořit objemovou síť a zadat potřebné parametry výpočtu, kterých je v tomto případě mnohem více než pro předchozí analýzy MKP. Optimalizace byla ukončena po několika desítkách iterací z časových důvodů. V případě proběhnutí celého procesu topologické optimalizace se získá model s dvěma typy elementů. Elementy blížící se svou hustotou 0 a elementy blížící se svou hustotou 1. První se vyloučí a druhé dávají finální tvar, kde materiál je zachován jen v místech toku napětí.

Tvar topologicky optimalizované těhlice

Výroba frézované těhlice byla zajištěna externí firmou z materiálu EN AW 2024 a trvala zhruba 54 hodin. Výroba 3D tiskem se uskutečnila v Laboratoři prototypových technologií a procesů na Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace, výzkumného centra Technické univerzity v Liberci. Tisk proběhl na stroji SLM 280 HL z materiálu ALSi12, při tloušťce vrstvy 50 µm. Samotný tisk trval necelých 46 hodin. Po provedení nezbytných technologických operací (odstranění podpor, doobrobení funkčních ploch) byl díl hotov.

Vyrobené prototypy byly podrobeny tzv. tříbodovému testu. Jedná se o jednoosé zatížení těhlice přes díry pro ložiska pomocí přípravku upnutého v horních čelistech trhačky, další dva přípravky sloužily jako podpěry umístěné na spodní desce trhačky. Zatěžování proběhlo v oblasti pružné deformace. Princip testu spočíval ve stlačení těhlice o předem určenou velikost (0,7 mm) a snímána byla silová odezva na tuto deformaci.

Testy se potvrdilo očekávání, že těhlice z 3D tisku je, i přes horší materiál, díky sofistikovanější konstrukci tužší než frézovaná těhlice. Zajímavé také bylo, že průběh zatížení u frézované těhlice je téměř čistě lineární, zatímco průběh zatížení u těhlice z 3D tisku je spíše progresivní. Je to dáno nejspíše rozdílnou konstrukcí obou těhlic. Progresivitu zatížení u těhlice z 3D tisku způsobuje postupné zapojování jednotlivých žeber její konstrukce při zatěžování. Těhlice z 3D tisku je o 61,6 % tužší než těhlice frézovaná.

Pro zvětšení klikněte na tabulku

Hlavní výhodou použití technologie SLM jsou rozhodně lepší mechanické vlastnosti dílu. I přesto, že je vyroben z „horšího“ materiálu, díl je tužší a lehčí než jeho frézovaný konkurent. Na tom má svůj podíl bezesporu i návrh konstrukce pomocí TO, jejíž potenciál se nejlépe využije právě v kombinaci s 3D tiskem. Při sofistikovanějších TO lze totiž dostat „organický tvar“, který jinak než za pomoci 3D tisku ani vyrobit nelze. Další výhodou je také o něco kratší doba výroby. Naopak hlavní nevýhodou metody SLM je cena výroby. Zatímco v oboru CNC obrábění je značná konkurence, a zadavatel tak dostává možnost cenu i dobu výroby do značné míry regulovat výběrem těch nejvýhodnějších nabídek, u výroby pomocí SLM je často nucen sáhnout po nabídce za jakoukoliv cenu. Firem, které se touto technologií zabývají, je prozatím velmi málo, nemluvě o tom, že hodinová sazba stroje i režijní náklady s výrobou spojené jsou stále velmi vysoké. Mírně technologie zaostává také ve výrobní přesnosti dílů.

Výzkumná činnost popsaná v tomto článku byla řešena v rámci diplomové práce Ing. Adama Lukeho a byla z části financována účelovou podporou na specifický vysokoškolský výzkum v rámci studentské grantové soutěže TUL (Projekt 21130 – Výzkum a vývoj v oblasti 3D technologií, výrobních systémů a automatizace).
Poděkování patří i firmě Benteler ČR, v jejímž oddělení Chassis Design bylo studentovi umožněno využít výpočtové zázemí pro analýzy MKP a topologické optimalizace.

Technická univerzita v Liberci

Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Ing. Adam Luke