Spoločnosť z Virgínie našla príležitosť k skráteniu vývoja produktov o 25 %

LUMENIUM LLC je nová spoločnosť so sídlom vo Virgínii vyvíjajúca inovatívny rad motorov s vnútorným spaľovaním. Ich inverzný rotačný motor s asymetrickým pohybom (Idar) je novinkou a úplne ojedinelým dizajnom pre výkonné a efektívne vnútorné spaľovanie. Unikátny dizajn motora umožňuje mimoriadny, ale napriek tomu efektívny výkon z malého, ľahkého motora pri spotrebe menšieho množstva paliva a generovanie nižšieho množstva emisií.

Rýchla výroba prototypov je obzvlášť dôležitá v prípade start-up spoločností. Pre spoločnosť Lumenium je schopnosť rýchlych iterácií kritickým faktorom pre rýchlosť uvedenia na trh a pre funkčnosť motora. Aktuálne používa spoločnosť Lumenium pre výrobu prototypov interný CNC stroj a elektroerozívne drôtové rezanie (EDM), čo robí tento proces časovo náročným a nákladným. Hľadajú rýchlejšie, úspornejšie riešenie pre výrobu prototypov na zostavu motora.

Diely spoločnosti Lumenium musia odolávať extrémnym teplotám a zaťaženiam pôsobiacim pri prevádzke spaľovacieho motora. Každý diel motora musí spĺňať špecifické požiadavky, vrátane vysokej rozmerovej presnosti, pevnosti pri dynamickom zaťažení a nízkej tepelnej rozťažnosti. Hmotnosť jednotlivých dielov má potom neodmysliteľný dopad na celkový výkon a účinnosť motora. Aditívna výroba umožňuje spoločnosti Lumenium splniť tieto požiadavky a vysporiadať sa so zložitými geometriami dielov. Príkladom sú vnútorné chladiace kanály pre zlepšenie funkcie motora. Studio System dokáže priniesť túto technológiu do existujúceho pracovného priestoru spoločnosti a ponúknuť rýchlejšiu iteráciu dizajnu a funkčnú výrobu prototypov.

Aplikácia

Motory s vnútorným spaľovaním tvoria trh v objeme 350 mld. dolárov. Môžeme sem zaradiť tri kategórie motorov: tradičné piestové motory, motory s protibežnými piestami a rotačné motory. Technológia motorov Idar spoločnosti Lumenium je štvrtou kategóriou. Môžeme ju umiestniť medzi tradičné technológie motorov, ale prichádza s novým prístupom v produkcii výkonu. Pri práci motora vzniká značné teplo a pôsobia veľké sily, takže jeho komponenty musia odolávať pri spaľovaní dynamickému zaťaženiu, tlaku 1500 psi a teplotám 1500 °C.

Navrhovanie zložitých produktov s extrémne vysokými nárokmi na funkčnosť viedlo k vytvoreniu niekoľkých generácií dizajnu motora, pričom každá jednotlivá generácia vyžadovala dlhú konceptuálnu fázu navrhovania, výroby prototypu a iterácií. Schopnosť vykonávania častých dizajnových zmien má výrazný pozitívny vplyv na konečnú funkčnosť motora. Úplný cyklus vývoja motora pre jednotlivú generáciu motora Idar trvá od troch do piatich rokov. Objavenie rýchlejšej a úspornejšej výroby prototypov je kritickým aspektom vývoja motora Idar. Rovnako aj schopnosť vyrobenia ľahších dielov, ktoré zároveň splnia požiadavky kladené na mechanické vlastnosti, tak majú priamy vplyv na funkčnosť motora.

Tlač vs. obrábanie

Spoločnosť Lumenium vyrába približne 20 prototypových dielov mesačne. Väčšina (okolo 95%) sa vyrába interne pomocou 5-osého CNC obrábania a drôtového EDM. Obrábanie komplexných geometrií technológiou CNC zahŕňa množstvo komplikovaných dráh nástrojov a niekedy viac ako 80 rôznych operácií obrábania. Každá operácia si vyžaduje nové programovanie, čo často zahŕňa aj samotné upnutie do prípravku a opakované ustavovania dielu obsluhou. Aj keď je následné obrábanie tlačeného dielu potrebné, tak počet celkových operácií obrábania je výrazne nižší. Programovanie CNC stroja vyžaduje zaškolenú špecializovanú obsluhu a môže trvať týždne pre jedinú zložitejšiu úlohu – od dizajnu po vytvorenie dráhy CNC nástroja, upevnenie do prípravku a obrábanie. Niektoré diely vyžadujú následné spracovanie externými dodávateľmi. V takomto prípade je potrebné pripočítať k dobe potrebnej na výrobu ešte 3 týždne.

Zvyšných 5 % prototypových dielov – typicky konvenčné, okrúhle diely – sa odosiela na externé obrábacie pracovisko, kde výroba trvá v priemere tri týždne. Dlhý čas potrebný na výrobu obmedzuje schopnosť spoločnosti Lumenium vykonávať iterácie dizajnu, čo má priamy vplyv na funkčnosť motora.

Popri dlhej dobe potrebnej na výrobu, ako aj vysokých nákladoch, ponúka obrábanie len obmedzené možnosti pre odľahčenie dielov. Hmotnosť je kritická pre funkčnosť motora, pretože 50% zníženia hmotnosti motora môže zdvojnásobiť jeho menovité otáčky (RPM) a jeho výstupný výkon. Pre zníženie hmotnosti obrábacími metódami nemôžu inžinieri urobiť o moc viac než zvoliť ľahší materiál. Bez zmeny materiálu vyžaduje zníženie hmotnosti typicky zmenu geometrie dielu, čo predlžuje čas, zvyšuje zložitosť, a to môže spôsobiť slabé miesta v štruktúre dielu. Prvotné verzie motora používali diely vyrobené obrábaním z plných blokov hliníka, ľahkej zliatiny. Hliník sa ale s rastúcou teplotou rozpína, čo je nežiadúca vlastnosť pre komponenty motora, ktorý pracuje pri vysokých teplotách. Oceľ má koeficient teplotnej rozťažnosti o 68% nižší než hliník.

Riešenie Studio System tlačí diely s výplňou s uzavretými bunkami – vnútornou mriežkovou štruktúrou vytlačenou naprieč dielom. Užívatelia môžu nastaviť rozostupy výplne tak, aby boli splnené požiadavky na pevnosť i hmotnosť. Diely tlačené s výplňou majú výrazne nižší tepelný prenos. Znižuje sa teda hmotnosť dielu, ale zostáva zachovaná požadovaná pevnosť a spoločnosť Lumenium môže použiť vo svojom riešení oceľ ako vhodný materiál pre tento diel.

Porovnanie dielov

Spoločnosť Lumenium poskytla pre prvotné porovnanie tri diely. Tieto tri diely spolu tvorili podzostavu motora Idar. Na dieloch boli vykonané určité úpravy dizajnu kvôli prispôsobeniu na tlač s použitím riešenia Studio System. Pre všetky tri diely sa ukázalo riešenie Studio System ako rýchlejší a lacnejší variant než obrábanie. Aby sme získali lepšiu predstavu o výrobnom procese a výhodách, pozrieme sa bližšie na nosič sedla.

Úspora nákladov Úspora času Zníženie hmotnosti

74%

43%

39%

Výroba s použitím Studio System

Technologie

Bound Metal Deposition™

Typ materiálu

AISI 4140 ocel

Odstupy výplně

2,8 mm

Hmotnost dílu

933 g

Doba výroby

4 dny

Náklady na díl

148 USD

Predchádzajúca výrobná metóda

Technologie

CNC obrábění z plného kovového bloku

Typ materiálu
AISI 4140 oceľ
Hmotnosť dielu
1 518 g
Doba potrebná pre výrobu
7 dní
Náklady na diel
980 USD

Samonosná konštrukcia: "kvapka"

V prípade väčšiny metód 3D tlače na báze vytláčania materiálu, vrátane metódy Bound Metal Deposition, vyžadujú vodorovné diery pre zachovanie tvaru použitie vnútornej podpory. Úpravou tvaru diery ale možno potrebu výstuh eliminovať. Spoločnosť Lumenium upravila konštrukciu a zmenila kruhové diery na tvar s väčším uhlom (kvapkovitý), ktorý nepotrebuje pri výrobe výstuhy.

Nastaviteľná hrúbka steny

Konštrukcia sedla spoločnosti Lumenium zahŕňa vrúbkovanie pozdĺž horného a spodného okraja, ktoré zapadá do výkyvných ramien. Vrúbkovanie pomáha, aby komponenty odolali silám motora a obrábanie týchto kritických charakteristík umožňuje vytvorenie hladkej a presnej styčnej plochy, akú nemožno dosiahnuť jednoduchou tlačou. V softvéri Fabricate môžu užívatelia selektívne nastaviť hrúbku steny. Je dôležité poznamenať, že tento faktor nemá vplyv na rozmery dielu. Jednoducho sa zvýši hrúbka pevnej steny okolo dielu, aby sa zamedzilo obnaženiu výplne dielu pri obrábaní. Spoločnosť Lumenium zvýšila hrúbku steny len na charakteristikách smerujúcich hore a nadol na 5,2 mm. Zohľadnili pritom materiál, ktorý by bol odstránený v priebehu obrábania vrúbkovaním.

Následné spracovanie

Po vyrobení vykonala spoločnosť Lumenium na vytlačených dieloch kritické kroky následného spracovania. To zahŕňa CNC obrábanie a drôtové EDM. Pri porovnaní s dielmi vyrábanými iba za použitia obrábacích procesov je počet krokov následného obrábania nižší a ich realizácia je relatívne ľahšia vďaka menšiemu počtu upínania do prípravku a programovania. Spoločnosť Lumenium obrábala kritické povrchy sedla, pridala hore a dole vrúbkovanie — vyvŕtali diery a vyrezali závity. Po dokončení spojili sedlo a výkyvné rameno skrutkami.

Zhrnutie

Pre spoločnosť Lumenium je rýchla výroba prototypov kritickým faktorom pre vývoj a dokončenie produktu, pretože motor Idar sa blíži do fázy komerčného využitia. Dizajn a funkcie jednotlivých dielov v zostave sú kritické, takže schopnosť rýchleho vyladenia a iterácií má priamy vplyv na celkovú funkčnosť motora. Predchádzajúce metódy obrábania jednotlivých prototypových dielov – buď interné, alebo na externých obrábacích pracoviskách – sú časovo náročné a nákladné. Vytlačené sedlo, výkyvné rameno a ojnice ukazujú časové a finančné úspory, ktoré systém prináša.

Ak vezmeme do úvahy čas potrebný pre programovanie CNC strojov, náklady na prácu a konštrukčné obmedzenia, dokáže riešenie Studio System skrátiť dobu potrebnú pre iteráciu dizajnu motora na polovicu. Pretože celý vývojový cyklus trvá 3 až 5 rokov, časová úspora má skutočne významný vplyv na vývojový cyklus produktu a výnosnosť.

Druhá časť tejto prípadovej štúdie sa zameria na funkčné testovanie tlačených komponentov motora a preskúmanie možností kompromisu medzi odľahčením a odolnosťou pre rôzne konfigurácie výplne.