کاربرد چاپ سه بعدی در صنعت خودرو سازی

پیشرفت‌های اخیر چاپ سه بعدی درهایی به سوی طرح‌های جدیدتر و قوی‌تر در صنعت خودرو سازی باز کرده است؛ محصولاتی سبک‌تر، مقاوم‌تر و ایمن‌تر همراه با صرفه‌جویی در زمان و هزینه. گزارش سالیانه Wohlers در سال 2015 اظهار کرد که صنعت خودرو سازی 16.1% از کل هزینه‌های چاپ سه بعدی را تشکیل می‌دهد. در حالی که تولیدکنندگان اصلی تجهیزات خودروها (OEMs) و تامین کنندگان در درجه اول برای نمونه سازی سریع از چاپ سه بعدی استفاده می‌کنند، مسیر فنی چاپ سه بعدی یکی از مهم‌ترین دلایل استفاده از آن در نوآوری محصولات و تولید مستقیم در آینده می‌باشد.

این مقاله به طور خلاصه به ساخت به روش افزایشی در صنعت خودرو سازی می‌پردازد. همچنین الزامات طراحی قطعات مورد استفاده در وسایل نقلیه و توصیه‌هایی برای طراحی قسمت‌های رایج خودرو ارائه می‌کند. علاوه بر آن طیف وسیعی از مواد محبوب ساخت به روش افزایشی در صنعت خودرو سازی همراه با چند مطالعه موردی از مواردی که ساخت به روش افزایشی با موفقیت اجرا شده را در اختیار شما قرار می‌دهد.

ساخت به روش افزایشی در صنعت خودرو سازی

ارتباط:

طراحی‌های صنعت خودرو سازی اغلب از مدل‌های قیاسی که فرم یک وسیله نقلیه را به نمایش می‌گذارند، آغاز می‌شود. این مدل‌ها اغلب به طور منظم برای آزمایش آیرودینامیکی نیز استفاده می‌شوند. SLA  و متریال جت برای تولید مدلهای با جزئیات بالا ، صاف و مقیاس طرح های خودرو استفاده می شود . برای مدل‌های دقیق اجازه می‌دهند تا هدف طراحی به وضوح ابلاغ شود و شکل کلی یک ایده را به نمایش می‌گذارند.

اعتبارسنجی

امروزه نمونه سازی اولیه با استفاده از ساخت به روش افزایشی به امری بدیهی در صنعت خودرو سازی تبدیل شده است. از چاپ سه بعدی FDM آینه بغل‌هایی در ابعاد واقعی با سرعت بالا و هزینه کم گرفته تا داشبوردهایی با جزئیات بالا و تمام رنگ؛ همواره یک روش ساخت به روش افزایشی برای چاپ سه بعدی هر نمونه اولیه وجود دارد. همچنین برخی از مواد مهندسی ساخت به روش افزایشی امکان آزمایش کامل و اعتبارسنجی عملکرد نمونه اولیه را فراهم می‌کنند.

پیش تولید

یکی از زمینه‌هایی که ساخت به روش افزایشی بسیار در آن مخل بوده تولید کم‌هزینه و سریع ابزار قالب‌گیری تزریقی، ترموفرمینگ و پیچ و مهره می‌باشد. این ویژگی در صنعت خودرو سازی این امکان را فراهم می‌کند تا ابزار با سرعت بالا و هزینه کم تولید شده و سپس برای تولید قطعات کوچک یا متوسط استفاده شوند. این اعتبارسنجی موجب کاهش خطرات سرمایه‌گذاری روی ابزارهای گران در مرحله تولید می‌شود.

تولید

از آن جا که به طور کلی حجم تولید در صنعت خودرو سازی بسیار بالاست (بیش از 100000 قطعه در سال)، ساخت به روش افزایشی عمدتا به جای تولید قطعه نهایی، به عنوان راه‌حلی برای نمونه‌سازی به کار گرفته شده است. پیشرفت‌های ایجاد شده در اندازه پرینترهای صنعتی، سرعت چاپ آن‌ها و موادی که در دسترس هستند به این معنی است که اکنون چاپ سه بعدی برای تولید محصولاتی با اندازه متوسط، به ویژه برای تولیدکنندگان سطوح بالاتر خودرو که تعداد محصولات را به مقدار بسیار کمتر از متوسط محدود می‌کنند، گزینه مناسبی می‌باشد.

شخصی سازی

فناوری ساخت به روش افزایشی با توجه هزینه قطعات یکبار مصرف بسیار پیچیده به وسیله بهبود قابل توجه عملکرد خودروها، تاثیر به سزایی در صنعت رقابتی خودرو سازی داشته است. قطعات می‌توانند برای یک وسیله نقلیه خاص (بازوهای تعلیق سبک سفارشی) و یا یک راننده (کلاه ایمنی یا صندلی) ساخته شوند. همچنین چاپ سه بعدی امکان ادغام و بهینه سازی توپوگرافی بسیاری از قطعات سفارشی خودرو را فراهم کرده است. به این موضوع در بخش مطالعات موردی بیشتر خواهیم پرداخت.

الزامات تولید خودرو

وزن – قطعات نهایی

یکی از حیاتی ترین جنبه‌های صنعت خودرو سازی کاهش وزن قطعات می‌باشد. در این صنعت از مواد پیشرفته مهندسی و طرح‌های پیچیده جهت کاهش وزن و بهبود عملکرد قطعات استفاده می‌شود. ساخت به روش افزایشی قادر به تولید قطعات بسیاری از پلی‌مرهای سبک و فلزاتی که در صنعت خودرو سازی کاربرد دارند، می‌باشد.

هندسه‌های پیچیده – نمونه‌های اولیه و قطعات نهایی

هندسه بر وزن و آیرودینامیک (و در نتیجه عملکرد خودرو) تأثیر می گذارد .  قطعات خودرو اغلب برای سرمایش مطلوب به کانالهای داخلی با ویژگی های پنهان ، دیوارهای نازک ، مش های ریز و سطوح منحنی پیچیده بسیاری نیاز دارند . ساخت به روش افزایشی امکان ساخت سازه های بسیار پیچیده ای را می دهد که هنوز می توانند بسیار سبک و پایدار باشند .

دما – آزمایش و قطعات نهایی

 بسیاری از قطعات خودروها به حداقل‌های مشخص شده انحراف گرما توجه می‌کنند. برخی از فناوری‌های ساخت به روش افزایشی موادی را ارائه می‌کنند که دمای بسیار بالاتر از میانگین 105&#8451 محفظه موتور را تحمل می‌کنند. نایلون SLS و همچنین برخی از فوتوپلیمرها برای قطعاتی که در درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند، مناسب هستند.

رطوبت – آزمایش و قطعات نهایی

بیشتر قطعات سازنده خودروها باید کاملا مقاوم در برابر رطوبت یا ضدآب باشند. یکی از عمده فواید چاپ سه بعدی این است که تمام قطعات چاپ شده می‌توانند طی فرآیند پس از تولید، لایه‌ای محافظ در برابر رطوبت ایجاد کنند. علاوه بر این، بسیاری از مواد ذاتا مناسب محیط‌های مرطوب و رطوبت هستند.

تلفیق قطعات – نمونه سازی اولیه و قطعات نهایی

با طراحی مجدد قطعات کوچک و تبدیل آن‌ها به یک قطعه پیچیده می‌توان تعداد قطعات را کاهش داد. یک از مهم‌ترین موارد در پاسخ به چگونگی کاهش قطعات توسط چاپ سه بعدی تلفیق قطعات است که باعث کاهش وزن و در طولانی مدت کاهش هزینه می‌شود. تلفیق قطعات همچنین تعداد قطعات را کاهش داده و در صورت نیاز به تعمیر می‌توان آن‌ها را تنها با یک قطعه جایگزین کرد که این موضوع امر مهمی در صنعت خودرو سازی می‌باشد.

مواد ساخت به روش افزایشی مناسب برای خودرو سازی

جدول زیر طیف وسیعی از موادی که می‌توان در صنعت خودرو سازی به کاربرد، ارائه می‌کند.

کاربردهای رایج ساخت به روش افزایشی در صنعت خودروسازی

مجاری دم

از ساخت به روش افزایشی (به خصوص SLS) می‌توان در ساخت قطعات نیمه عملکردی در نقاطی که در مونتاژ یا جفت کردن به انعطاف‌پذیری احتیاج است، استفاده کرد. به طور کلی این ماده/فرآیند بهتر است برای حرکات تکرار شونده انعطافی استفاده شود. برای پروژه‌هایی که به انعطاف‌پذیری قابل توجهی نیاز دارند، سایر مواد پلی اتیلن مانند Duraform Flex مناسب‌تر هستند.

مجاری پیچیده

با استفاده از SLS برای ساخت مجاری کم حجم غیرساختاری، مانند کانال سیستم کنترل محیطی (ECS) برای هوافضا و مسابقات رالی تقویتی، می‌توانید قطعات بهینه شده و بسیار پیچیده طراحی کنید. با استفاده از SLS می‌توان ضخامت دیواره را مهندسی کرد و از طریق نوارهای ساختاری سطحی بهینه شده، نسبت مقاومت به وزن را افزایش داد. پیاده کردن این جزئیات توسط روش‌های سنتی بسیار هزینه‌بر می‌باشد. با SLS هیچ هزینه‌ای برای پیچیدگی طرح نمی‌دهید و تمام قسمت‌ها بدون ساپورت و با دقت بالا چاپ می‌شوند.

نمونه‌های اولیه بصری با جزئیات بالا

برخی از فرآیندهای ساخت به روش افزایشی ، برخلاف روش‌های مدلسازی سنتی، قادر به تولید طرح‌های چند رنگ با سطحی کامل و قابل مقایسه با قالب گیری تزریقی می‌باشند. این مدل‌ها به طراح این امکان را می‌دهند که درک بهتری از تناسب و شکل یک قطعه داشته باشد. این روش بسیار دقیق مدلسازی برای آزمایش و تجزیه و تحلیل آیرودینامیکی نیز ایده‌آل می‌باشد چرا که سطح کامل پایانی غالبا ارائه دهنده قطعه نهایی است. ساخت به روش افزایشی به طور منظم برای ساخت قسمت‌هایی از خودرو استفاده می‌شود که بیشتر به زیبایی اهمیت می‌دهند تا عملکرد؛ از آینه‌های بغل و محفظه‌های سبک گرفته تا فرمان‌ها و طراحی‌های داخلی. SLA و متریال جت متداول‌ترین روش‌ها برای تولید نمونه‌های اولیه ظریف از رزین فوتواکتیو هستند.

براکت‌های عملکردی نگه دارنده

تولید سریع براکت‌های پیچیده و سبک علامت تجاری ساخت به روش افزایشی به حساب می‌آید. ساخت به روش افزایشی نه تنها امکان تولید اشکال و طرح‌های ارگانیک را می‌دهد، بلکه به ورودی‌های کمتری نیز نیاز دارد؛ به این معنا که مهندسان قادر هستند در مدت زمان بسیار کوتاهی طرحی را از کامپیوتر به مونتاژ برسانند. این امر در روش‌های سنتی، از جمله CNC که برای تولید قطعات به یک اپراتور بسیار حرفه‌ای لازم دارد، امکان‌پذیر نیست. تکنولوژی‌های مبتنی بر بستر پودر، مانند SLS و چاپ فلزی، بهترین روش برای قطعات کاربردی هستند و طیف وسیعی از مواد (از نایلون PA12 تا تیتانیوم) را ارائه می‌دهند.

مطالعه موردی 1 – مسابقات طراحی فرمول 1 دانشجویی آلمان

مسابقات فرمول 1 دانشجویی یک مسابقه طراحی بین‌المللی دانشجویی است که در سال 1981 توسط جامعه مهندسان خودرو (SAE) در ایالات متحده آمریکا آغاز شد و از سال 1998 در اروپا برگزار می‌شود. این مسابقات بین‌المللی با رقابتی شدید در پیست‌های اروپا، ایالات متحده و آسیا برگزار می‌شوند و هر تیم به طور جداگانه تصمیم می‌گیرد که در کدام مسابقه شرکت کند.

دانشجویان آلمانی به عنوان قسمتی از بهینه‌سازی خودرو خود تصمیم گرفته‌اند تا محوری محکم (سگ دست)، سبک و با استحکام بالا را در کمترین زمان ممکن طراحی کنند و بسازند. سگ دست برای مقاومت در برابر بارهای دینامیکی وارده به خودرو در طول مسابقات لازم است و همچنین وزن کلی خودرو را نیز کاهش می‌دهد. طرح حاصله قطعه‌ای توپوگرافیکی بود که فقط با چاپ سه بعدی قادر به تولید بود. برای این طرح DLMS بهترین گزینه بود چرا که امکان ساخت یک قطعه فلزی عملکردی با هندسه پیچیده را فراهم می‌کند.

با بهینه سازی سگ دست، طرح نهایی 35% از طرح اصلی سبک‌تر بود و مقاومت آن 20% بهبود یافت. همچنین استفاده از چاپ سه بعدی منجر به کاهش قابل توجهی در زمان تولید و توسعه و هندلینگ بهتر در طول مسیر (که خود باعث بهبود و ایمنی می‌شود) شده است.

در مقایسه با حامل‌های آلومینیومی قبلی، این تیم توانست در مجموع 15 کیلوگرم در وزن صرفه‌جویی کند و به سبک‌ترین خودرویی که تاکنون تولید کرده، دست یابد.

مطالعه موردی 2 – مسابقات موتورسواری Moto2

تیم برنده Moto2، TransFIORmers، از چاپ سه بعدی فلزی برای بدست آوردن یک ویژگی رقابتی منحصر به فرد و تولید یک سیستم تعلیق جلو غیرمتعارف، استفاده می‌کند. موتور سیکلت‌های مسابقات جهانی MotoGP خاص هستند؛ عموم مردم قادر به خرید آن‌ها نیستند و نمی‌توان از آن‌ها در جاده‌های عمومی استفاده کرد. به عنوان نمونه‌های اولیه موتور، آن‌ها برای این ساخته شدند که از رقبا فراتر رفته و عملکرد خود را در پیست به حداکثر برسانند.

در ساخت اجزای جدید طراحی موتورهای Moto2 کاهش وزن در اولویت قرار دارد؛ مخصوصا کاهش وزن بخش متحرک سیستم تعلیق از موارد اصلی می‌باشد. هر چه جرم بخش متحرک سیستم تعلیق کمتر باشد، عملکرد آن از نظر مدیریت لرزش‌ها و پاسخگویی به ترمز و شتاب بهتر خواهد بود. تیم Moto2 فرانسوی TransFIORmers مستقر در Perigueux، جنوب غربی فرانسه، طراحی جدید از سیستم تعلیق جلو ارائه کرده است.

سرعت تغییر طراحی یک قطعه جدید و مدت زمان تولید مجدد آن، از فاکتورهای مهم دنیای رقابتی موتورسواری هستند. تولید سریع و دقیق آن‌ها بسیار حیاتی است. کاهش وزنی که چاپ سه بعدی فلزی در اجزای جناغی ایجاد کرده باعث شده تا از پدیده سنتی انتقال وزن و مشکلات مرتبط با درایو ترمز اثر نباشد. علاوه بر آن باعث شده که قطعه علاوه بر سبک‌تر شدن، محکم‌تر نیز باشد. تیم TransFIORmers با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی در طراحی موفق شد تا وزن قطعه جناغی سیستم تعلیق جلو را تا 40% کاهش دهد. این تک قطعه در مقایسه با قطعه فولادی اصلی 600 گرم وزن صرفه‌جویی کرد.