W wielu gałęziach przemysłu metal nadal uznawany jest za naturalny wybór dla elementów konstrukcyjnych. Problem w tym, że często oznacza większą masę, wyższe koszty i ograniczenia projektowe.
Firma CAF – producent nowoczesnych systemów kolejowych – postanowiła sprawdzić, czy jeden z elementów konstrukcji drzwi pociągu rzeczywiście musi być wykonany z metalu.
Odpowiedź nie była oczywista. I właśnie dlatego projekt rozpoczął się nie od druku 3D, ale od analizy inżynierskiej.
Punkt wyjścia: metalowa część, która miała stać się lżejsza
Inżynierowie wytypowali wspornik konstrukcji osłony drzwi jako element możliwy do przeprojektowania.
Celem nie było jedynie wydrukowanie go z tworzywa. Nowa część musiała spełniać dokładnie te same wymagania mechaniczne co metalowy odpowiednik.
Najpierw analiza, dopiero potem druk
Zespół rozpoczął od symulacji FEA (Finite Element Analysis), która pokazała rozkład naprężeń w oryginalnej części.
Wynik?
Proste odwzorowanie geometrii w PA12 nie spełniało wymagań wytrzymałościowych. Ale to był dopiero początek procesu projektowego.
Proces iteracyjny – krok po kroku do pożądanego rezultatu
Pierwsza koncepcja zakładała zastosowanie wewnętrznej struktury wzmacniającej (lattice).
Choć rozwiązanie poprawiło parametry, analiza wykazała, że element nadal nie osiąga oczekiwanej wytrzymałości. Projekt wrócił więc do cyfrowego modelu.
Dopiero druga wersja przyniosła oczekiwany efekt.
Zamiast wypełnienia zastosowano odpowiednio zaprojektowane żebro usztywniające, które skutecznie przejęło obciążenia pojawiające się podczas pracy elementu.
Kolejna analiza FEA potwierdziła, że część spełnia wszystkie wymagania mechaniczne i może zastąpić metalowy komponent.
To nie materiał był przewagą. Przewagą był proces.
Ten projekt pokazuje jedną z największych zalet HP Multi Jet Fusion.
Technologia nie polega na prostym zastępowaniu metalu tworzywem. Pozwala całkowicie przeprojektować element tak, aby jego geometria wykonywała pracę, którą wcześniej realizował cięższy materiał.
Efektem jest komponent:
- lżejszy,
- tańszy,
- łatwiejszy i szybszy w produkcji,
- spełniający wymagania mechaniczne,
- zaprojektowany dokładnie pod sposób przenoszenia obciążeń.
Wniosek
Historia CAF pokazuje, że przejście z metalu na element drukowany w technologii HP Multi Jet Fusion nie jest zmianą materiału.
To zmiana sposobu projektowania.
Dzięki połączeniu symulacji FEA, iteracyjnego rozwoju konstrukcji i swobody projektowej MJF możliwe staje się tworzenie komponentów, które nie są kopią metalowych części, lecz ich lepiej zoptymalizowaną wersją.
To właśnie dlatego coraz więcej elementów konstrukcyjnych przestaje być projektowanych pod możliwości tradycyjnej produkcji, a zaczyna być projektowanych pod funkcję, jaką mają pełnić.
