أوسع الإمكانيات والقيود الكبيرة للتقنيات المضافة على سبيل المثال رأس الاسطوانة لسيارة رياضية

تخطى حدود التصميم بإنتاج المعادن المضافة ...

نشرها تيري وولرز وإيان كامبل
11 مارس 2016

يُعترف عالميًا بالحرية الهائلة في التصميم كميزة رئيسية عند استخدام التقنيات المضافة (AT) في إنتاج الأجزاء الوظيفية النهائية. إن تقليل الحاجة إلى المعدات والقدرة على بناء وإزالة المواد بحرية أكبر يعني أن الأجزاء التي يتم إنشاؤها يمكن أن يكون لها بنية هندسية أكثر تعقيدًا مما كانت عليه عندما يتم تصنيعها باستخدام العمليات التقليدية ، والتي بدورها معقدة للغاية من الناحية التكنولوجية. يمكن استخدام التقنيات المضافة بطرق مختلفة لزيادة القيمة الفائضة للمنتجات.

يمكن الحصول على قيمة فائضة إضافية عن طريق تقليل تكلفة دورة الحياة ، وتحسين الجاذبية الجمالية للمنتج ، وتحسين سهولة الاستخدام وزيادة الكفاءة *. مثال مثير للإعجاب على زيادة الكفاءة باستخدام تقنية الانصهار بطبقة من مسحوق الألمنيوم: رأس أسطوانة السيارات المصنعة بشكل إضافي من قبل الشركة الألمانية FIT (الشكل 1) يجب أن توفر رؤوس أسطوانات ICE تقليل الاحتكاك من أجل تحسين تدفقات الغاز الواردة والصادرة ، وحركة التبريد وتخميد الاهتزاز. وكونها عناصر محملة للغاية مع كل ما سبق يجب أن يكون لها قوة عالية.

تم تكليف FIT بتطوير نسخة محسنة من رأس الأسطوانة لسيارة سباق من شأنها تلبية متطلبات الأداء وتكون أخف. يوضح النص التالي كيف أن تصميم AT يزيد من الحرية الهندسية ويحسن كفاءة الأجزاء التي يتم إنشاؤها.

• فيما يلي ، تشير الكفاءة إلى فعالية الهياكل ، أي قدرة الجزء على أداء وظائف محددة بمعلمات محددة ، بأقل وزن: استهلاك المواد ، تكلفة الإنتاج ، إلخ.

التين. 1— رأس اسطوانة محسن (صورة من FIT)

ميزات التصميم

الميزة الرئيسية لرأس الاسطوانة "المطبوعة" هي تحسين تدفقات الغاز. يمكن تحسين شكل غرفة الاحتراق ومسارات السحب والعادم عن طريق محاكاة التدفقات الحاسوبية. باستخدام هذه المحاكاة الحاسوبية ، يمكن تحسين التدفق لإزالة الحرارة الزائدة من غرفة الاحتراق ومسار العادم.

من المهم ملاحظة أن الحاجة إلى تقديم تنازلات عند تحسين المنتجات المصممة أقل بكثير للتصنيع الإضافي مقارنة بالصب ، مما يتطلب زوايا مسطحة لأجزاء القالب. تعمل التقنيات المضافة على تحسين دوران سائل التبريد ، وهو ميزة رئيسية على الصب. باستخدام AT ، يمكن أن تحتوي السترة المائية وقنوات المبرد على إطار شبكي لهيكل معقد (الشكل 2). هذا يسمح لك بزيادة مساحة السطح وبالتالي تحسين نقل الحرارة من محرك الاحتراق الداخلي إلى المبرد. في حالة رأس الأسطوانة ، زادت مساحة السطح من 825 سم 2 إلى 10225 سم 2. اعتمادًا على بنية شبكية معينة ، يمكن أن يخلق أيضًا تدفقًا مضطربًا - جانب آخر من التبريد المحسن. يمكن أن يوفر ذلك ميزة إضافية عند استخدام مضخة مياه أقل قوة ، مما يقلل من فقد طاقة المحرك.

ساعدت التكنولوجيا المضافة أيضًا FIT على تحسين وزن رأس الأسطوانة. صنع المهندسون الجسم الرئيسي للرأس عن طريق زيادة سمك المادة حول الكميات الرئيسية. أضافت المواد الإضافية قوة إلى الجزء وجعلت من الممكن تخفيف الاهتزاز بشكل أفضل. تم تحديد توزيع المواد عن طريق تحسين الطوبولوجيا ونسبة قوة ووزن الرأس. ونتيجة لذلك ، تم الحصول على المؤشرات الوظيفية المطلوبة باستخدام الحد الأدنى من المواد. بفضل تحسين الطوبولوجيا ، تم تخفيض وزن الرأس من 5 كجم إلى 1.8 كجم.

في حين أن تصميم رأس الأسطوانة هو إنجاز هندسي مثير للإعجاب ، فإن هذا المستوى من تعقيد التصميم ليس سهلاً أو سريعًا. يكمن معظم النجاح في قدرات البرمجيات - الهياكل الفضائية الانتقائية من netfabb GmBH ، المستخدمة لتطوير الأشكال العضوية وهياكل الشبكة.
يمكن أن تكون نمذجة التدفق بمساعدة الكمبيوتر ، وتحسين الطوبولوجيا ، وبرامج الشبكة مكلفة وصعبة الاستخدام. فهي تتطلب استثمارًا كبيرًا في التدريب ، إلى جانب تكاليف "مرحلة التجربة والخطأ" ، والتي لا يمكن في كثير من الأحيان الوصول إليها للشركات الصغيرة.

التين. 2 - رأس الأسطوانة للمحرك بهيكل شبكي داخلي (صورة من FIT)

تحديات التصميم

تقدم ATs إمكانات تصميم مثيرة للاهتمام ، ولكنها تخلق أيضًا تحديات فريدة. لا يمكن دائمًا تنفيذ النماذج المحسّنة رياضيًا التي تم إنشاؤها بواسطة البرنامج. على سبيل المثال ، من المهم معرفة أصغر سمك جدار ممكن أو أصغر ثقب يمكن تشغيله باستخدام AT. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون العناصر البارزة مدعومة بهياكل إضافية أثناء العملية المضافة ؛ يجب إزالة الدعامات في وقت لاحق ، وهو أمر مهم للنظر فيه.

ضغوط درجة الحرارة هي أيضًا مشكلة أخرى ، خاصة في عملية اندماج طبقة من مسحوق المعدن طبقة تلو الأخرى. هنا ، يمكن أن تؤدي الضغوط الحرارية إلى تشوه الجزء عند فصله عن سطح الهيكل.
للحد من التشوه ، غالبًا ما يضيف المصممون هياكل دعم إضافية لعقد الأجزاء وعناصرها على سطح الهيكل. ومع ذلك ، فإن إضافة الكثير من هذه الهياكل يخلق عملًا إضافيًا لإزالتها ؛ عدد قليل جدًا من الدعامات يؤدي إلى تشوه الالتواء. غالبًا ما يتطلب التصميم الأمثل حل وسط بين الواقع والأشكال المثلى نظريًا ، على الرغم من أن درجة هذا الحل الوسط عادة ما تكون أقل بكثير من عمليات التصنيع التقليدية مثل صب المعادن.

إزالة المسحوق مشكلة حرجة أخرى. في حالة رأس الأسطوانة الموصوف أعلاه ، يمكن للمسحوق أن يملأ جميع التجاويف والفتحات الداخلية. عند إزالة الأجزاء من غرفة البناء ، يجب على الفني إزالة كل هذا المسحوق الزائد. لذلك ، يجب على المصممين تضمين ثقوب التصريف ومسارات الخروج في التصميم الذي سيمنع البودرة من "التصاق" داخل الجزء. وهذا يتطلب تصميمًا دقيقًا لحجم وموقع الثقوب والمسارات ، ثم إضافتها إلى نموذج CAD. في كثير من الأحيان ، يجب إصلاح هذه الثقوب لاحقًا ، الأمر الذي يستغرق وقتًا ويزيد من التكلفة.

معظم المصممين والمهندسين لم يتلقوا بعد تعليمًا رسميًا وممارسة تصميم لأجهزة AT. وبالتالي ، فإن معظم الشركات التي تفكر في استخدام التكنولوجيا المضادة للاستخدام الصناعي تواجه ذلك للمرة الأولى. وعلى الرغم من أن بعض الشركات تنشر تلقائيًا معرفتها بين مجموعة صغيرة من "الرواد" في شركاتهم ، إلا أن هؤلاء "الرواد" عادةً ما يكونون موردًا محدودًا. ونتيجة لذلك: يفوق الطلب على التعليم والتدريب على تصميم التكنولوجيا المساعدة العرض.

التدريب في صناعة الطيران

لتلبية الحاجة إلى التعليم في جزء واحد من صناعة الطيران ، أجرى Wohlers Associates فئتين رسميتين للتصميم لـ AT ، لمركز ناسا مارشال لرحلات الفضاء. ركز فصل لمدة أربعة أيام على التدريب العملي باستخدام طرق التصميم المتقدمة ، بما في ذلك الأجزاء المتصلبة ، وتحسين الهيكلية والشبكات والشبكات. ركزت الفئة الثانية ، ثلاثة أيام ، بشكل رئيسي على التصنيع المضاف من المعدن.

يوفر التصنيع المضاف العديد من الفرص لتحسين كفاءة ووزن الهيكل. باستخدام أدوات وأساليب البرامج الخاصة ، يمكن للمصممين تحقيق تحسينات كبيرة على طرق الإنتاج التقليدية. نظرًا لأن حرية التصميم أعلى بكثير مع AT من العمليات التقليدية ، فإننا نعتقد أن AT ستجد تطبيقًا أوسع لتطوير أنواع جديدة تمامًا من الأجزاء والمنتجات ، بما في ذلك أجزاء من محركات السيارات ، والتي ستتفوق إلى حد كبير على سابقاتها.