Az additív gyártás óriási potenciált jelent az optimalizált és új alkatrészek előállítása terén is.
A Porsche esetében, a 3D nyomtatási technológiát már számos területen alkalmazzák. Most pedig, a Porsche, a Mahle és a Trumpf közös projektjében, a ZEISS közreműködésével, sikeresen vetették be elsőként a 3D nyomtatást az erős terhelésnek kitett hajtás alkatrészeken, méghozzá a Porsche csúcskategóriás 911-es modellje, a GT2 RS nagyteljesítményű motorjaihoz készülő dugattyúk generatív gyártási folyamatai során. A Porsche projektvezetője, Frank Ickinger által vezetett egész csapat több, mint elégedett:
„Ez felpörgeti a teljesítményt akár 30 lóerővel a 700 LE bi-turbo motor esetében, és magasabb hatásfokot is eredményez.”
A „nyomtatott” nagyteljesítményű dugattyú projekt teljes siker. Mérföldkő az additív gyártás történetében.
A Baden-Württemberg kapcsolat: négy partner, egy cél
Ahogy a motorsportokban általában, az alkatrészek fejlesztése és gyártása csapatmunka. A projektet a Porsche vezeti. A Mahle, a projekt együttműködő partnere adja a hajtásalkatrészek fejlesztése és gyártása terén szerzett, szükséges szakértelmet. A Trumpf az additív gyártási rendszer vagy közismert nevén 3D nyomtatás szakértőjeként vesz részt a projektben. A felhasznált anyagok, illetve a kész alkatrészek minőségéről és teljesítményéről pedig a ZEISS megoldásai gondoskodnak. A minőségbiztosítás a gyártási folyamat minden egyes lépésének elengedhetetlen eleme, a nyomtató portól egészen a kész alkatrészig. Ahhoz, hogy az ilyen jellegű gyártás konkrét követelményei teljesülhessenek, a ZEISS átfogó minőségbiztosítási folyamatot dolgozott ki. A projekt célja – a dugattyú prototípusok gyártása és ezzel az alkatrészek hatásfokának javítása mellett – egy olyan additív gyártási folyamat kifejlesztése, amely képes megfelelni a legmagasabb minőségi normáknak, miközben racionalizált és költséghatékony jellege alkalmassá teszi a sorozatgyártásra. Ezt a folyamatot végső soron más alkatrészek gyártásában is felhasználják majd.
Az additív gyártási folyamat
Ennek a gyártási eljárásnak az alapját a Mahle által kifejlesztett, speciális ötvözetből készült fémpor adja. A port rétegenként viszik fel és olvasztják egybe bizonyos pontokon egy Trumpf 3D fémnyomtató belsejében. 12 óra alatt 1200 réteg felvitelével alkotják meg a megmunkálatlan dugattyút. Ahhoz, hogy a 3D nyomtatású dugattyúk megfeleljenek a legmagasabb követelményeknek, átfogó minőségellenőrzés szükséges. „Különösen ennél a dugattyúanyagnál, melyet ezelőtt még nem nyomtattak, természetesen kihívást jelent a megfelelő alkatrészminőség kialakítása. A ZEISS segítségével viszont ez kifejezetten jól sikerül megoldanunk” összegezte Frank Ickinger a Porsche fejlett erőátvitel tervezési részlegétől.
Optimalizált kialakítás
A folyamat nagy előnye, hogy alkalmas újszerű, bionikus architektúra létrehozására. Topológia optimalizálással szimulálják a terhelési útvonalakat és ennek segítségével határozzák meg az adott terheléshez alkalmas szerkezetet. Ezáltal, a haladó fejlesztési projekt keretében képesek a dugattyúk súlyát 10 százalékkal lecsökkenteni a hegesztett változatokhoz képest. A 3D nyomtatású dugattyú prototípusokba egy integrált hűtőcsatorna is került – ez kivitelezhetetlen volt a hagyományos gyártási módszerekkel. „Az új, könnyebb dugattyúkkal képesek vagyunk növelni a motor fordulatszámát, csökkenteni a hőterhelést és optimalizálni az égést” – magyarázta Frank Ickinger.
Nagyteljesítményű alkatrész porból
A 3D dugattyúnyomtatáshoz használt kiinduló anyag a Mahle által kifejlesztett por. De nem minden por egyforma. A por szemcseméret-eloszlása, a szemcse alakja, kémiai összetétele, de még a porszemcsék közötti porozitás is egy-egy példa az alkatrész minőségét befolyásoló jellemzőkre. Azt a tényt, hogy a por jellemzői az ismételt felhasználásnál alkalomról-alkalomra módosulhatnak, számításba kell venni, az eltéréseket pedig a gyártási folyamathoz illeszkedő módon kell észlelni. Például, ha a por szemcseméret-eloszlása az ismételt felhasználás miatt módosul, az befolyásolhatja a felvitt porréteg minőségét, ennek eredményeként fennállhat a pórusok kialakulásának kockázata, illetve drasztikusan megnövekedhet más alkatrészek sérüléseinek esélye.
A ZEISS fénymikroszkópjai, pásztázó elektronmikroszkópjai és komputertomográf berendezései elemzik a por minőségét a dugattyúgyártás előtt és után, illetve vizsgálják a kész alkatrész mikroszerkezetét a hibák vagy a jellemző tulajdonságok azonosítása céljából. Az elemzési adatok további feldolgozása és kiegészítő értékelési folyamatok révén meghatározhatók a nyomtatás optimális beállításai. A sikeres nyomtatás eredményének még utó-feldolgozási lépések sokaságán kell átesnie ahhoz, hogy úgy az anyag-, mint az alkatrészjellemzők optimálisak legyenek. Az eljárás fejlesztése során, például, az alkatrész szerkezete speciálisan felszerelt pásztázó elektronmikroszkópokkal és röntgen komputertomográffal vizsgálhatók a kezelési folyamatok előtt és után. Az egyes gyártási lépések végső alkatrészminőségre gyakorolt hatásának elemzését egy koordináta mérőgép mellett 3D optikai szkennerrel vagy ipari komputertomográffal végzik. Ezeknek az eljárásoknak a zökkenőmentes összehangolása döntő szerepet játszik. A dugattyúkat még a nyomtatóágyon beszkennelik 3D szkennerrel. Miután kikerültek az ágyból, az egyes gyártási lépések és a belső szerkezet is vizsgálhatóvá válik komputertomográfiával, míg ezzel egyidőben a hibaelemzés is megtörténik. Végül pedig, lezajlik a végső bemérés a koordináta mérőgéppel. A ZEISS átfogó minőségbiztosítási folyamatának alapvető jellemzője, hogy képes összekötni a különböző elemzések összes adatát.
„Mindent egybevéve, amit a folyamatfejlesztésbe beemeltünk, az egy teljes körű és minden elemében egymással összeköttetésben álló minőségbiztosítási folyamat. Ebből azután kinyerhetünk minden szükséges információt, mellyel garantálhatjuk az alkatrészminőséget és a jövőben kialakíthatunk egy gazdaságos minőségbiztosítási koncepciót”
– magyarázta Dr. Bernhard Wiedemann, a Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH additív gyártási folyamat és ellenőrzési igazgatója.
A próbapadon
Most a 3D nyomtatású dugattyúk átkerülnek a próbapadra, és a GT2 RS motorban bizonyítanak. A próbapadon végzett, 200 órás tartóssági próbaüzem keretében, az alkatrészek 24 órán át magas fordulatszámú hajtásnak, 135 órán át teljes terhelésnek és 25 órán keresztül különböző motor-fordulatszámok melletti vonóterhelésnek vannak kitéve, megállás nélkül.
„Ha a 3D nyomtatással készült alkatrészek ellenállnak ilyen terhelésnek, akkor a 3D nyomtatás számos más autóalkatrész gyártásában is teret nyerhet”
– meséli lelkesen Frank Ickinger.
„Jóllehet mindent szimuláltunk, láthattuk, hogy a dugattyúk gond nélkül teljesítenek a próbapadon, és erre igazán büszke vagyok”
– teszi hozzá Volker Schall a MAHLE International GmbH terméktervezési ágának vezetője. Végső soron, az eredmény messze nem csak a mérnököket nyűgözte le. Minden dugattyú egyetlen hiba nélkül ment át a kemény teszteken. Egyértelműen bizonyítva, hogy a minőségbiztosítási folyamat megfelelően működött.
Az additív gyártás úttörői
Az additív gyártás óriási potenciált jelent az optimalizált és új alkatrészek előállatása terén. Fejleszthetők például és még inkább környezetbaráttá tehetők a belső égésű motorok. De számos lehetőséget kínálnak ezek a gyártási módszerek az elektromobilitás terén is.
„Úttörő munkát végeztünk az additív gyártásban ezzel a projekttel” – mondja Dr. Bernhard Wiedemann a Porsche, a Mahle és a Trumpf együttműködéséről. „Az eredményként létrejött folyamat, melynek során legyártják a dugattyúkat, de ezzel egy időben a minőséget is elemzik és biztosítják a teljes gyártási folyamat során, példanélküli.”
Nagyobb tervezési szabadság, pehelykönnyű szerkezet és integrált funkcionalitás, a ZEISS minőségbiztosításával kombinálva. A Porsche projektvezetője, Frank Ickinger mögött felsorakozó teljes csapat több mint, elégedett. A „nyomtatott” nagyteljesítményű dugattyú projekt teljes siker. Mérföldkő a Porsche additív gyártási eljárásainak történetében.
Tudjon meg többet a ZEISS additív gyártás megoldásairól: https://zeiss.ly/3D_manufact_mm
