Nagy teljesítményű 3D nyomtatott alkatrészek a F1-ben és azon túl
Az eredeti cikk a Formlabs oldalán jelent meg először.
Ahogy egyre többen fordulnak a globális motorsport mozgatórugók, például a Forma 1 felé, egyre nagyobb nyomás nehezedik a versenycsapatokra, hogy minden autó még gyorsabb és erősebb legyen. Az F1-es csapatok már most is a legokosabb mérnök elméket alkalmazzák, de néha még ezek a szupercsapatok is külső szakértőket keresnek, hogy biztosítsák a plusz lóerőt.
Az egyik ilyen külső szakértő a Mackart Additive, egy mérnök és gyártó vállalkozás Staffordshire-ben, az Egyesült Királyság szívében. A mérnöki tervezés és az additív gyártás terén szerzett több mint két évtizedes tapasztalatával a Mackart képes volt 3D nyomtatással túllépni a gyors prototípuskészítés hagyományos paraméterein. A Mackart jelenlegi projektjeinek körülbelül 80%-a az F1-es csapatoknak készül – ezek az ügyfelek folyamatosan a kisebb súly, az erő, a megbízhatóság és az aerodinamikai optimalizálás fejlesztéseit keresik. A Mackart csapata kiválóan teljesített a szénszál-erősített műanyag alkatrészek (CFRP), illetve a hagyományos eljáráshoz szükséges szerszámok 3D nyomtatásában, amelyek új, korábban elérhetetlen szabványokat és elvárásokat állítanak fel.
A gépparkjuk ennek megfelelően nem kicsi. Kilenc darab Form Auto kiegészítővel automatizált Form 3 sztereolitografikus (SLA) 3D nyomtatót, valamint FFF nyomtatókat és Markforged folyamatos szálerősítéses kompozit nyomtatókat használva a Mackart kompozit szerszámokat, szilikon szerszámokat, valamint 3D nyomtatott végfelhasználói alkatrészeket is gyárt. A Mackart mostanra a valódi szériagyártás szintjére skálázta nyomtatási kapacitását.
“A 3D nyomtatást mi nem gyors prototípus-készítő eszköznek tekintjük – számunkra ez egy hatékony gyártási folyamat.” – mondta Steven McCarthy, a Mackart ügyvezető igazgatója és alapítója.
Komplex szerszámok 3D nyomtatása szénszálas alkatrészekhez
McCarthy repülőgépipari mérnöki háttérrel rendelkezik, de a Mackart számos más iparággal dolgozik együtt az üzlet 2016-os megnyitása óta, a vízvezetékek gyártóitól a nemzetközi motorsport titánokig.
A versenymotorsport világában az egyik legelterjedtebb anyag, amely az utóbbi időben az autóiparban is népszerűvé vált, a szénszál (CF). A CFRP alkatrészek ellenállnak a versenypálya magas hőmérsékleteinek, valamint páratlan szilárdság-tömeg aránnyal rendelkeznek, amely javítja a versenyautó teljesítményének minden aspektusát.
A szénszálas alkatrészeket jellemzően szénszövet lapokból állítják elő, amelyeket megfelelő mennyiségű folyékony műgyantával lepnek el. Ezeket a lapokat formába vagy formára laminálják, majd egy autoklávban hővel és nyomással kikeményítik.
Hagyományosan minden formát fémből készítettek, hogy ellenálljon az autokláv hőjének és nyomásának. Ennek a szubtraktív gyártási folyamatnak azonban számos hátránya van – pazarló, lassú és költséges lehet, és gátolja az iteratív tervezési folyamatot. A 3D nyomtatható anyagok és a hardverek fejlődésével életképes megoldássá vált az ilyen alkalmazásokhoz szükséges kemény szerszámok additív gyártása.
A szénszálas szerszámozási technológiák kombinálása
A Mackart Additive 3D nyomtató labor: Form 3 SLA nyomtatók és Markforged Mark Two kompozit nyomtatók
A Mackart Additive 3D nyomtatólabor több technológiát és folyamatot kombinál, köztük két Form Auto rendszert is, hogy fejlett alkatrészeket hozzon létre számos ipari alkalmazáshoz.
Az nagyszilárdságú szerszámokkal elért siker kulcsa a 3D modell tervezés és nyomattájolás optimalizálása – és a Mackart csapata ezeket a paramétereket tudományos szinten ismeri. Összetett szénszálas formákat és szerszámokat terveznek és gyártanak különböző 3D nyomtatási technológiák és anyagok kombinációjával, amelyek mindegyikét sajátos tulajdonságainak megfelelően alkalmazzák.
A Formlabs Standard szürke és a Grey Pro műgyanta használata után a csapat elkezdte a Rigid 4000K és a Rigid 10K Resin tesztelését is, és azt találta, hogy ezek sima felülete és merevsége biztosította a legjobb eredményeket a végfelhasználásra szánt szénszálas alkatrészek készítéséhez. „Kipróbáltuk az egylenyomatú szerszámokat a Rigid 4000 Resin-nel és az eredmények kiválóak voltak. Lézeres metrológiai méréssel ellenőriztük és méretre nézve fenomenális eredményeket kaptunk – egyes esetekben csak mikronos eltéréseket láttunk a névleges CAD geometriától” – mondja McCarthy.
A csapat gyakran úgy állít elő nagy szerszámokat, hogy kisebb részekre bontja, majd gondosan átgondolt rögzítőelemekkel összeilleszti őket. „A nagyobb szerszámok esetében, amelyek túllépik a nyomtató gyártási térfogatát, gyakran karimás csatlakozásokat építünk be, hogy lehetővé tegyük az összeszerelést. Három vagy négy alkatrészből álló összeállításokat tudunk készíteni, hogy elérjük a 450 mm hosszú szerszámokat” – mondja McCarthy.
Technológiai összehasonlítás: Szerszámozás szénszálas alkatrészekhez
| ÁTFUTÁSI IDŐ | PRO | KONTRA | |
| 3D nyomtatott szerszám | 1 hét | Tervezési szabadság | Figyelmbe kell venni a termikus méretváltozást |
| Kontroll az átfutási idő/ellátási lánc felett | Méretbeli korlátok | ||
| Költséghatékony kis darabszámoknál | Kevesebb ciklust bír ki | ||
| Hagyományosan gyártott szerszám | 3-4 hét | Többezer ciklus | Hosszú átfutási idő |
| Ellenálló | Geometriai megkötések | ||
| Nincs méretbeli korlát |
3D nyomtatott sablonok kompozit alkatrészekhez a Mackart Additive cégtől
Ezt a szénszálas csőalkatrészt 3D nyomtatott szerszámokkal állították elő, beleértve a Form 3+-szal készült, merev, Rigid 10K gyantából nyomtatott külső héjat és egy nagy, mély kádas SLA 3D nyomtatóval gyártott belső formázó szerszámot.
Durable gyantával nyomtatott szerszám 3D szkennelése egy F1-es autóhoz
A McCarthy 3D szkennel egy Form 3-mal Durable gyantából nyomtatott alkatrészt, amelyet CFRP eljárásban használnak fel egy F1 légszállító csatornához.
Az autoklávos kikeményedési folyamat során a hőmérséklet meghaladhatja a szerszám anyagának üvegesedési hőmérsékletét, de a csapat úgy találta, hogy a Rigid 10K Resin jól teljesít, és nem rontja vagy veszít méretpontosságot ismételt használat után sem. „A Rigid 10K gyanta keményebb anyag, és valamivel jobb felületi minőséget biztosít. Valójában nagyszerűen helyettesíti az alumíniumot” – mondja McCarthy. Azért, hogy a nyomtatott felület optimálisan dolgozzon együtt a szénszálas lapokkal, a Mackart csapata enyhén bevonja a Rigid 10K munkadarabok felületét, hogy elfedje az üvegrészecskéket, amelyek a Rigid 10K Resin egyedi tulajdonságainak eredményeként jelennek meg a nyomtatás során.
A csapat az autoklávozási folyamat során bekövetkező deformációkra vonatkozó kompenzációs tényezőket is finomhangolta, így a kapott CFRP alkatrész a tűréshatár szerint készül. „Nem túl bonyolult, mindig tökéletesen meg tudjuk oldani a tolerancia határain belül. A nagyobb eszközöknél minden a százalékokon múlik.” – mondja McCarthy.
Az összetett CFRP komponensek, például csatornák és csövek belső formájához hagyományosan oldható szerszámok használatosak. Azonban a kisebb alkatrészeknél (amelyek beleférnek a nyomtató munkaterébe) lehetséges kihúzható szerszámok előállítása, és elkerülhető az FDM által előállított oldható megoldás bonyolultsága és időráfordítása. A Mackart kiváló sikerrel használt Durable Resint ehhez az alkalmazáshoz. A nagyobb kihúzható szerszámok esetében, amelyek meghaladják a nyomtató gyártási térfogatát, a Mackart a házon belüli mélytartályos SLA eljárást alkalmazza.
Az ördög a részletekben rejlik
Az additív gyártás tökéletes az olyan iparágakban, mint a motorsport, ahol a tervezés minden apró változtatása, legyen akár mikronos is, egy másodpercnyi különbséget vagy a végső lökést jelentheti a célvonalon át. Minden az autó körüli és azon keresztüli légáramláson múlik.
„A 3D nyomtatás nagyszerű megoldás a motorsport számára, mivel biztosítja a hagyományos szubtraktív gyártás korlátaitól mentes geometriai szabadságot. Egy versenyautóban nagyon kevés a hely, a geometria szabadsága pedig lehetővé teszi a csapatok számára, hogy optimalizálják az aerodinamika minden aspektusát.”
“A múltban az összetettebb kompozit (CFRP) geometriák gyártása hagyományos szubtraktív szerszámozási módszerekkel azt is jelentette, hogy „tartalék” anyagot kellett beépíteni az alkatrészbe a végső illesztési szakasz sikerességéhez. A 3D nyomtatott szerszámok pontossága és stabilitása nagymértékben csökkentette ezt a tartalékanyag-szükségletet. Most már az első alkalommal a „helyes” az elvárás, és ezt tudjuk is tartani. Amiben igazán jók vagyunk, az a kihívást jelentő és pontos geometriákat megvalósítása.” – mondja McCarthy.
Harmadik műszak a Form Auto kiegészítővel
A Form Auto hardver kiegészítő utólag felszerelhető a meglévő Form 3 vagy Form 3+ nyomtatókra, lehetővé téve a gyártókapacitás további növelését az igények növekedésével párhuzamosan és a folyamatok automatizálását. A Mackart a Formlabs Automation Ecosystem korai alkalmazója; 2023 elején kezdték meg a Form Auto használatát és azóta optimalizálják automatizálási munkafolyamatukat.
„Lehetőség van a kapacitás maximalizálására: a Form Auto előnye, hogy egyik napról a másikra felveheti a harmadik műszakot.” – mondja McCarthy. A Form Auto a kilenc Form 3+ nyomtatójuk közül kettőre utólag lett felszerelve, és folyamatosan működik, éjjel és hétvégéken keresztül, hogy akkor is folytassa a nyomtatást, amikor a csapat már hazament.
„A Form Auto-val a harmadik és a hétvégi műszak is megvalósítható és közben egyáltalán nem igényel manuális beavatkozást. Szépen működik, és kiválóan alkalmas kis alkatrészekhez, és közepes méretű, akár 1000 alkatrészből álló sorozatgyártáshoz is.” – Steven McCarthy, a Mackart ügyvezető igazgatója és alapítója.
A Mackart csapata mindig különböző projekteken dolgozik, így bár még mindig kézzel dolgoznak néhány újabb, összetettebb alkatrészükön, a Form Auto sok ismétlődő feladatot képes kezelni, és csökkenti a nyomtató állásidejét. „Ennek eredményeként az átfutási időnk csökkent, a termelékenység pedig nőtt.” – mondja McCarthy.
10 000 GBP levonása a klasszikus autóalkatrészek költségeiből
Az ismételt feladatok némelyike olyan kis alkatrészekre vonatkozik, amelyeket nagyobb mennyiségben kell gyártani, például klasszikus autóalkatrészeket. Általában ezek az alkatrészek fröccsöntöttek (IM), de sok ilyen szerszám már rég elveszett a történelem során, miközben a készletek pedig kifogytak. Ez a helyzet oda vezetett, hogy egy ügyfél a Mackarthoz fordult segítségért.
A múltban, amikor raktári cikkről volt szó, ezek az alkatrészek egyenként 0,20 GBP-ba kerülhettek. 3D nyomtatással ezek az alkatrészek 5-10-szer többe kerülnek, de az új szerszámok, minimális fröccsöntési gyártási mennyiségek és gépbeállítási díjak költségei nélkül, amely gyártási összegeket képtelenség lenne minden egyes alkatrész esetében amortizálni.
A 3D nyomtatott komponens nagyon életképes megoldást kínál. „Ezeknek az alkatrészeknek a 3D nyomtatása a teljes fröccsöntési költség amortizációját kiveszi az egyenletből – mi reverse engineering segítségével megtervezzük, amire szükségük van, és csak egyet vásárolhatnak belőlük anélkül, hogy 10 000 GBP-t vagy többet fizetnének egy új szerszámért és minden egyéb folyamattal kapcsolatos járulékos kiadásért. Ezután végtelen ellátásra támaszkodhatnak és mindig a szükséges mennyiségben.” – mondja McCarthy.
Az autóiparban rendkívül költséges lehet, ha valamiből egy vagy akár csak kis mennyiség szükséges, így a klasszikus autók helyreállítása és karbantartása luxusüzem. A 3D nyomtatásnak köszönhetően a Mackart alacsonyabb árakat tud kínálni ügyfeleinek. „Ez egy sokkal rugalmasabb, gazdaságos megoldás, és a Form Auto itt teljesít nagyszerűen. Plug-n-play módon működik, minimális karbantartást igényel, miközben akár 1000 alkatrészt is legyárt, ha csak időnként betolunk egy új gyantapatront.” – mondja McCarthy.
Form 3 SLA nyomtatókkal készült sorozat
A Form Auto kiválóan segíti a Mackartot több száz vagy több ezer apró alkatrész, például a klasszikus autók piacára szánt díszkapcsok gyártásában.
A Mackart időt szánt arra, hogy optimalizálja folyamatait és biztosítsa, hogy kiváló minőségű modelleket készítsenek az iparágak széles köréből érkező ügyfeleik számára. Ehhez kiegészítő gyártástechnológiákra, különböző 3D nyomtatási eljárásokra és anyagokra támaszkodnak, attól függően, hogy mi felel meg leginkább a feladatnak.
A Form Auto hozzáadásával megnőtt a kapacitásuk, és egy új, kézenfekvő műszakkal bővült a gyártási hét. Innentől kezdve McCarthy biztos abban, hogy a kereslet növekedésével és 3D nyomtatóparkjuk segítségével új iparágakba léphetnek be, és ugyanolyan pontossággal és teljesítménnyel szolgálhatnak ki új alkalmazásokat, mint amivel a világ néhány vezető F1-es csapatának megbízható partnerévé váltak.
Találja meg az Ön vállalkozása számára legnagyobb értéket biztosító 3D nyomtatót!
Forduljon a FreeDee szakértő csapatához! Próbálja ki, nézze meg az 3D nyomtatókat a FreeDee irodájában, kérjen tőlünk mintát vagy tesztelje saját modellel ezeket a világszerte népszerű berendezéseket!