Nyomtatott fékvezérlő panel

A Knorr-Bremse Budapest mérnökei a közelmúltban mutatták be annak a fékvezérlő panelnek szabadalmi eljárásra bocsátott terveit, amelyet a vasúti fékgyártásban forradalmian újnak számító 3D fémnyomtatással állítanak elő.  A vállalat szakértői válaszolnak kérdéseinkre.

Nyomtatott fékvezérlő panel

A Knorr-Bremse Budapestnél először kezdhetik el alkalmazni a tervezés vezérelt gyártást, azt az új megközelítést, amely megszabadulhat a hagyományos gyártási technológia kötöttségeitől, az adott alkatrész funkcióját állítva előtérbe. Mindez pedig olyan alkatrészek tervezését és gyártását vetíti előre, amelyeknek karbonlábnyoma lényegesen kisebb lesz a jelenlegi alkatrészekénél.

Mely cég technológiáját használták a 3D fémnyomtatáshoz, tőlük kaptak szakmai segítséget?

Kovács Attila – Fejlesztési igazgató: A kiválasztási folyamat során a német EOS cég technológiáját választottuk ki az ajánlattevők közül. A választásunkat a munkatér mérete és a megfelelő szerviz és támogatási háttér támasztotta alá. Az üzembe helyezés és a későbbi karbantartás során nyújtott teljesítmény ezt igazolta is. A technikai támogatáson túl a betanításban és a kollégák további képzésében is támaszkodtunk a cég által nyújtott szolgáltatásokra.

Hogyan választották ki a megfelelő por alapanyagot, milyen elvárásaik voltak vele szemben?

A technológia kiválasztása előtt elemeztük, hogy a piacon elérhető berendezések és anyagok melyik termékkörben jelenthetnek alternatívát. Arra a megállapításra jutottunk, hogy a méretek alapján a kisebb kiterjedésű alumínium alkatrészeink esélyesek a technológiára. A mechanikai követelményeknek az EOS által kínált AlSi10Mg por minőség teljes mértékben megfelel és csereszabatos a korábban alkalmazott anyagminőséggel.

A nyomtatás meddig tart, az utómunkálatok milyen fázisokból állnak?

Kékedi Barnabás – Műszaki szakértő: A nyomtatást a munkadarabok építési alaplapról történő eltávolítása és a támaszanyag struktúra maradéktalan eltávolítása követi. Léteznek már automatikus eltávolítást végző eszközök, eljárások, de ezek meglehetősen költségesek. Jelenleg a kézi erővel történő végkikészítést alkalmazzuk, a felületminőséget javító szemcseszórás is ebbe a körbe tartozik. Tehát egy adott alkatrész előállításának ideje a nyomtatási időn kívül az utómunka idejét is magában foglalja, aminek hossza függ az alkatrész bonyolultságától, az eltávolítandó támaszanyag mennyiségétől és a szemcseszórás vagy egyéb, elektrokémiai felületminőség javító eljárás idejétől. Ez összességében 2-3 hetet vesz igénybe. Ezzel szemben az alkatrész hagyományos öntéssel való előállítása jóval időigényesebb folyamat, hiszen ehhez öntőszerszámra is szükség van, amelynek gyártása akár 15 hétig is eltarthat. A nyomtatás egyik nagy előnye éppen az, hogy nincs szerszámigénye.

A vasúti járműgyártásban is érdekes új lehetőségeket kínál az ipari 3D nyomtatás

3D nyomtatásnál a geometriai elemek helyes tájolása, valamint a támaszok elhelyezése különösen fontos feladat. Ezt Önök kísérletezték ki, vagy kaptak segítséget hozzá?

Kovács Attila: Az oktatás és a betanítási folyamat iránymutatásokat tartalmaz a tájolásra és optimális kialakításra vonatkozóan. Mint minden esetben, a valódi tudást itt is a gyakorlat adja. Jelen esetben ezt az alkatrész többszöri nyomtatása és optimalizálása jelentette, amely során a korábbi nyomtatások tapasztalatait és a műanyag nyomtatási tapasztalatainkat is hasznosítani tudtuk. Azt is látjuk, hogy ez a kísérletezés jelentős ráfordítással jár, ezért most azon dolgozunk, hogy ezek a lépések milyen szimulációs módszerrel támogathatók. Az idei nyár folyamán indítunk egy projektet egy szimulációs szoftver bevezetésére és ehhez előzetes vizsgálatokat végzünk. A jövőbeli új szoftver és az elmúlt időszakban felhalmozódott tapasztalat birtokában a Knorr-Bremse a cégcsoporton, de az egész iparágon belül is, egyedülálló tudásra tesz szert.

Metál Attila – Fejlesztési vezető: Napjainkban már több mint tíz gyártó készít a rétegről rétegre való építés elvén működő, lézeres prototípusgyártó gépeket. A fémnyomtatásban a piacvezető gyártó és legjelentősebb fejlesztő a német EOS GmbH nyújtott támogatást, szakmai segítséget. A gép beüzemelésekor kapott alapképzés után pár hónap tapasztalatgyűjtés következett majd erre építve egy haladó, az állítható paramétereket ismertető elmélyítő tréninget is kaptunk.

A technológiával feldolgozható fémporok választéka több iparág igényét is kielégíti. A teljesség igénye nélkül, kereskedelmi forgalomban kapható rozsdamentes-, szerszámacél-, alumínium-, titán- és CoCr-porkeverék. Saját méréseink és irodalmi adatok alapján kijelenthető, hogy a DMLS technológiával készített alkatrészek, nem maradnak el mechanikai tulajdonságaik tekintetében az azonos ötvözőtartalmú, hagyományos úton készített társaiktól. Az építési munkatér mérete (250x250x290) meghatározza az építésre kiválasztott alkatrész méretét. A fékvezérlő panelekbe beépítendő Knorr-Bremse alkatrészek közül számos alapanyaga az alumínium, illetve néhány bonyolultabb alkatrész esetében az additív technológia lehetővé teszi olyan geometriák legyártását, melyeket eddig nehezen vagy egyáltalán nem lehetett legyártani. E téren a 3D nyomtatási technológiának egyértelműen előnye van: a forma és a kialakítás határozza meg a gyártást, és nem fordítva.

3D nyomtatott fékvezérlő panel dinamikus vizsgálata

Ezzel a technológiával képesek vagyunk olyan belső struktúrákat és funkciókat integrálni az alkatrészekbe, melyeket eddig, a hagyományos gyártási módszerekkel nem tehettünk meg. Így, mindenekelőtt az additív technológia alkalmazásával képesek vagyunk kis sorozatú, könnyűszerkezetes alkatrészek gyors és gazdaságos előállítására. A munkadarabok nyomtatáskor ugyanabból az alapanyagból (jelen esetben AlSi10Mg) készül a támaszanyag is. Ez a technológia elkerülhetetlen jellemzője.

Az alkatrészek nyomtatáshelyes orientációjának meghatározásakor figyelembe kell venni a nyomatás sikerességét, az elkészült munkadarab minőségét, valamint az építési időt. E három halmaz metszetét kell megtalálni minden egyes alkatrész esetében a nyomtatás gazdaságosságát szem előtt tartva. Ezt a képességet legjobban a tapasztalás útján lehet megszerezni.

Milyen tervező szoftvert használtak?

Kovács Attila: Az alapgeometria előállításához a cégünknél alkalmazott CREO rendszert használtuk, a további előkészítéshez, a támaszrendszer és a tájolás ellenőrzéséhez pedig a Materials Magic és az EOS Print alkalmazásokat, amelyek a folyamat standard elemei. Egy másik projektünkben szembesültünk azzal, hogy a legtöbb eseteben az alap CAD tervező rendszerek használata nehézkes, a méhsejt struktúrájú, teherviselő geometriák kialakításához például érdemes a megfelelő kiegészítő modulokat használni. Napjainkban szinte minden jelentős tervező rendszer rendelkezik ilyen kiegészítő modullal. Az elmúlt időszak fontos mérnöki teljesítménye, hogy sikerült az iparágunk és a 3D nyomtatás igényeire optimalizálni a meglévő tervező szoftvereket.

Metál Attila: A modell elkészítésénél, tervezésénél és a végeselemes számításnál is a Creo Parametric 4 programot használtuk, a topológiai optimalizáláshoz pedig az Altair Inspire 2019 programot.

A tervezési fázis mennyi ideig tartott és mi jelentette a legnagyobb kihívást?

Kovács Attila: A nyomtathatóság és a levegőcsatornák belső támasz nélküli kialakítása és iteratív optimálása, valamint a szerkezet megfelelő merevségének elérése.

Metál Attila: A legnagyobb kihívással az elején szembesültünk: egyáltalán hogyan álljunk neki, hogyan közelítsük meg az új konstrukció kialakítását?  A hagyományos (forgácsolásra alapuló) konstrukciós alapelveket teljesen el kellett felejtenünk, ki kellett lépni az addigi gondolkodási síkjainkból, más szempontok alapján kellett elkezdenünk a tervezést: hogyan helyezzük el a térben a készülékek csatlakozásait? Hogyan tudjuk optimalizálni a teret? Egy középpont köré alakítsuk ki csillag alagzatban, vagy hozzunk létre téglatest alakú tereket és oda helyezzük el az almodulokat?  Létrehoztunk egy skeletont, egy vázat és a pneumatikus összeköttetéseket szimulálva spline-okat alakítottunk ki köré, ezeket mozgattuk a térben és számoltuk, hogyan alakul a térfogat. Egy többhetes iteráció végeredménye lett az kialakult elrendezés, amely sok-sok modell elkészítése után lett csak végleges.

A sorozatgyártáshoz milyen problémákat kell még megoldani?

Kovács Attila: Az eddigi fázisban egy-egy darabot nyomtattunk, a hatékonyság növelése érdekében több termék egyidejű nyomtatása és az így keletkező darabok azonos minőségének a biztosítása feladat, hasonlóan a többfészkes szerszámok problémájához. A prototípus gyártás során a belső felületek tisztítása és pormentesítése nem tűnt nagyobb kihívásnak, azonban szériális körülmények között erre nagyobb hangsúlyt kell fektetni.

A szerelési folyamat eltér egy normál alumínium egység szerelésétől?

Andráczi Péter – Folyamatmérnökségi csoportvezető: Csak minimálisan, a munkadarab megfogásában volt különbség a teljesen egyedi alaplap geometria miatt, minden más ugyanúgy történt, mint a fúrt panel esetében.

Az egyes funkció tesztek hogyan épülnek egymásra?

A funkció teszt a konstrukció által meghatározott vizsgálati eljárás szerint kerül elvégzésre, melynek első lépése szivárgás mérés, melyre azért van szükség, mert ha a modul valahol ereszt, akkor felesleges a funkció teszt. A szivárgás mérés után pedig azt vizsgáljuk, hogy a kimenetekre rákapcsolt tartályokat a meghatározott időn belül feltölti-e a modul.

A végeselem szimuláció során mely értékekre helyezték a fő hangsúlyt?

Márton Zoltán – Technikai Elemző csoportvezető: A végeselem szimuláció során az első lépés a termék merevségének ellenőrzése volt modálanalízis segítségével. A termék fejlesztése során ebből a szempontból arra helyeztük a hangsúlyt, hogy az üzem közben fellépő vibráció okozta kritikus frekvenciatartományt elkerüljük. A tönkremenetel szempontjából kritikus frekvenciatartomány és vibrációs szint a termék vasúti kocsin belüli beépítési helyétől függ, a mérési adatokon alapuló értékek nemzetközi szabványokban elérhetőek. Mivel az additív gyártástechnológiával készült termék szemmel láthatóan kisebb merevséggel rendelkezik, mint a hagyományos termék, így feladatunk volt a tömegcsökkentés (anyagelvétel) és a megfelelő merevség optimális egyensúlyának megtalálása.

A végeselem szimuláció második lépéseként a vasúti üzemeltetésből származó gyorsulásterhelések okozta mechanikai feszültségeket vizsgáltuk statikus, illetve kifáradás okozta tönkremenetel szempontjából. Mivel a 3D nyomtatott alkatrészek mechanikai szilárdsága jelenleg is aktív kutatási terület, így ezen a téren a termék szilárdságát az additív gyártástechnológiával készült anyag teljeskörűen rendelkezésre álló mechanikai anyagjellemzőinek, illetve kiforrott kiértékelési módszerének hiányában egyelőre a hagyományos gyártástechnológiából származó módszerekkel becsültük.

A termékfejlesztés továbbra is folytatódik, vagy az elkészített fékpanel már végleges modell?

[Kovács, Attila] Ennél a típusnál véglegesnek tekinthető. Az eredményeken túl megtanultuk, azt, hogy milyen módon lehet egy 3D nyomtatott megoldást létrehozni egy olyan termék esetében, ahol magas a variációs ráta és a gyártási darabszámok és ütemezés lehetővé teszi a technológia használatát.

[Metál Attila] Ez a vezérlő panel végleges modellnek tekinthető, hiszen tesztelve és validálva lett, azonban a technológiai fejlesztésnek ez csak az első lépése volt: ennél a panelnél komplexebb, több pneumatikus készüléket és elektromos csatlakozásokat is magában foglaló összetettebb rendszerek tervezését kezdtük el. Itt új, eddig nem ismert problémákba ütköztünk és keresünk rá konstrukciós megoldásokat. A tapasztalatokat és irányelveket egy konstrukciós kézikönyvbe összegyűjtve haladunk előre lépésről lépésre. Célunk az, hogy minden típusú és nagyságú vezérlő egységnél elérhessünk súly és térfogatcsökkenést a 3D nyomtatásra való tervezésnek köszönhetően.

A szimuláció mellett valós teszteket is végeztek, ezeknek milyen eredménye volt?

Nagy Gergely – Teszt csoportvezető: Az elvégzett valós tesztek validálták a tervezési és gyártási folyamatainkat, semmilyen hibát nem fedeztünk fel a tesztelés során. A kapott eredmények összecsengtek a megelőző, ellenőrző végeselem szimulációból adódott várt értékekkel.

A vezérlőpanelek felépítése

A vezérlőmodul közös panelre szerelt pneumatikus és elektropneumatikus egységekből épül fel. A panelben elhelyezkedő furatok, mint légvezetékek biztosítják a készülékek összekötését. A pneumatikus csatlakozón keresztül történik meg a vezérlőmodul táplálása, a rendszerben elhelyezett nyomáscsökkentő szelep a megfelelő üzemi nyomás beállításáról gondoskodik, a két mágnesszelep pedig a szabályozott levegőt a homokolóegységhez vezérli.

További információk: www.knorr-bremse.hu