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L'università di Mannheim si rivolge alla soluzione AM della Eplus3D per il portaruota in alluminio

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Eplus3D fornisce soluzioni di stampa 3D in metallo per ottimizzare le auto da corsa per la Formula Student Electric

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1 Abstract

Nelle corse, ogni millisecondo conta per essere il primo a tagliare il traguardo. Il Delta Racing Team dell'Università di Scienze Applicate di Mannheim ottimizza quindi la sua auto da corsa per la Formula Student Electric ogni anno. Il più grande miglioramento del telaio di quest'anno è il passaggio della tecnologia di produzione ai supporti delle ruote prodotti in modo additivo e i vantaggi che ne derivano. I metodi di calcolo numerico più accurati, un design ottimizzato per la topologia e la produzione, nonché la stampa del componente in alluminio sulla EP-M250Pro di Eplus3D, possono ottenere un risparmio di peso di oltre il 50% e quindi uno straordinario aumento delle prestazioni dell'intera vettura rispetto al precedente componente lavorato a CNC.

2 Premessa

Nelle corse, il peso del veicolo gioca un ruolo decisivo nelle prestazioni e nel comportamento di guida. Il portaruota è l'elemento centrale per l'assorbimento e la trasmissione delle forze. Con l'aiuto dei processi di produzione additiva, sono state create nuove possibilità di forma e libertà di design. Lo sviluppo si basa su analisi computerizzate. Vengono utilizzati strumenti come l'ottimizzazione topologica della struttura con il metodo degli elementi finiti (FEM). Questi software analizzano i carichi predominanti del componente e calcolano una geometria ottimizzata del componente. Queste informazioni sono incorporate nel processo di progettazione. Questo permette di confrontare diversi processi di produzione e di evitare costosi cambiamenti di parti.

3 Casi di carico

Per calcolare le forze totali che sono applicate sul componente alla fine, vengono determinati i diversi casi di carico predominanti. A questo scopo, tutti i dati esistenti del veicolo vengono presi in considerazione e valutati con l'aiuto di un software di calcolo numerico. La base per questo è la letteratura dal campo della tecnologia delle auto da corsa. Sono stati analizzati i seguenti casi di carico.

- Massimo impatto verticale

- Frenata estrema con compensazione del passo

- Avvicinamento estremo con compensazione del passo

- Curva estrema (calcolo dinamico)

- Ruota in curva interna

- Ruota in curva esterna

- Frenata in buca

- Frenata in retromarcia

- Impatto dei confini della pista

- Deviazione nell'arresto di fine corsa

Figura 2 Schizzo dei carichi [Fonte: Rennwagentechnik; Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme; Trzesniowski, Michael; ISBN 978-3-658-04919-5]

Tutti i dati del veicolo come la deportanza aerodinamica, il campo operativo dei pneumatici, la compensazione cinematica del passo, ecc. sono inclusi nel calcolo delle condizioni reali. Lo stato operativo aspirato è l'aderenza con un leggero slittamento, poiché questo permette la massima trasmissione delle forze longitudinali e trasversali.

4 Ottimizzazione della topologia

Nella prima fase, viene creato un modello dello spazio di lavoro considerando tutte le condizioni limite geometriche e cinematiche. Le caratteristiche importanti qui sono le superfici di installazione, i raccordi così come le distanze funzionali della cinematica del telaio. Per non limitare in anticipo l'algoritmo di ottimizzazione, vengono utilizzate tutte le libertà possibili. La geometria è ora divisa in aree di progettazione (rosso) e aree di non progettazione (grigio). Le aree di progettazione sono principalmente limitate da componenti periferici. Le aree non di progetto sono per lo più punti di appoggio o di connessione. Questa divisione permette un meshing più fine della geometria per quanto riguarda certe forze, con un risultato di simulazione più veloce e più accurato.

Figura 3: Modello dello spazio di lavoro dell'asse anteriore

Viene usata una lega di alluminio AlSi10Mg ad alta resistenza e resistente alla corrosione. La lega ha un ottimo rapporto forza-peso.

Il modello è ora meshato da elementi finiti. Vengono utilizzati elementi tetraedrici con una funzione di attacco del secondo ordine. Ora vengono applicati i casi di carico con le forze calcolate in precedenza. Usando i cosiddetti elementi RBE-3, il punto di introduzione della forza può essere scelto per essere la connessione tra la ruota e la strada. Questi elementi collegano diversi nodi indipendenti a un nodo dipendente tramite un legame rigido e quindi accoppiano i loro gradi di libertà. Questo non irrigidisce inutilmente la geometria. Inoltre, la zona di contatto dei fissaggi avvitati è definita, il che si traduce in un'impostazione ripetibile della zona di regolazione dell'architrave.

Figura 4 Diversi punti di vista FEM [Sinistra: nodi articolati; Destra: punto di salita della ruota]

Nella figura 4, vengono esaminate due diverse considerazioni:

- Applicazione delle forze attraverso i nodi del carrello di atterraggio; [Figura 4: sinistra]

- Applicare le forze attraverso il punto di connessione di ruota e strada sulle superfici di appoggio; [Figura 4: destra]

Lo scopo dell'ottimizzazione della topologia è quello di ottenere la resa media con una riduzione di massa più definita. In ultima analisi, al software verrà dato il livello di restrizione di riempimento, che descrive il rapporto tra la massa in uscita e la massa target nel volume di progetto. Il rendimento medio è formato da un totale di 18 casi di carico e dalla loro rispettiva importanza, nonché da un fattore di sicurezza. Con l'aiuto del solutore "OptiStruct" la soluzione ottimale viene calcolata e ulteriormente raffinata in diverse iterazioni.

Figura 5: Distribuzione della densità degli elementi sull'asse anteriore

Le strutture create devono ora essere rimodellate dal progettista. A questo scopo, vengono generate delle mesh poligonali intorno alla geometria proposta. Queste sono liberamente personalizzabili in seguito

Figura 6 Creazione delle mesh

Figura 7 Rimodellamento dell'asse anteriore e posteriore

5 Prova di resistenza

Il nuovo progetto viene esaminato per la sua resistenza con analisi delle sollecitazioni di tutti i casi di carico. Per ottenere una migliore visione d'insieme di tutti i casi di carico, si considera il risultato delle sollecitazioni sovrapposte, che sovrappone tutti i valori massimi dei casi di carico.

Quando si valutano i risultati della simulazione, si nota che le sollecitazioni elevate si verificano in quasi tutte le aree. Questo è dovuto all'ottimizzazione della topologia e al fattore di sicurezza utilizzato.

Nell'area della connessione inferiore del telaio dell'asse posteriore e nell'area di contatto della staffa dell'asse anteriore, si verificano singolarità in casi di carico isolati. Questo si traduce in alcuni elementi su spigoli vivi con una tensione aumentata. Tuttavia, per ottenere un risultato significativo, le sollecitazioni circostanti sono considerate ad una distanza sufficiente dalle singolarità.

Figura 8: Singolarità della staffa dell'asse anteriore Regolazione della caduta

Ad uno sguardo più attento, le sollecitazioni comparative di Von Mieses di ogni caso di carico sono al di sotto del limite di snervamento del materiale

Figura 9 Prova di resistenza asse anteriore

Figura 10 Prova di resistenza dell'asse posteriore

6 Progettazione per la produzione

Al fine di garantire una produzione senza problemi dei componenti, vengono effettuate diverse ottimizzazioni per assicurare la producibilità del componente ottimizzato per la topologia. Queste vengono sviluppate in un progetto insieme ai partecipanti della Delta Racing e.V., allo specialista della lavorazione Klaeger Präzision GmbH & Co. KG e con il team di consulenza della Eplus3D.

Come primo prototipo rapido e come esempio tattile e per la discussione con tutte le parti interessate, viene stampato in 3D un portaruota in PLA utilizzando il processo FFF.

L'ordine di produzione dei componenti è quindi definito come segue: Le parti sono prodotte in modo additivo su una stampante EP-M250Pro MPBF (Metal Powder Bed Fusion). In seguito, il componente e la piattaforma di costruzione vengono ricotti in un forno a vuoto per abbassare le tensioni all'interno delle parti. Con l'aiuto di una macchina eroditrice, il componente viene separato dalla piattaforma di costruzione e le strutture di supporto vengono rimosse. Segue la sabbiatura della superficie e la lavorazione delle aree funzionali su una fresatrice CNC a 5 assi prima del controllo qualità.

Nella figura 11a viene concessa un'indennità di lavorazione (in rosso) in diverse aree del modello CAD.

Figura 11 Storia dell'ottimizzazione dell'asse anteriore

Le tensioni intrinseche generate dal processo additivo devono essere eliminate con la ricottura di stress dei componenti. Al fine di mantenere la deformazione attraverso tali tensioni residue il più basso possibile fin dall'inizio, gli angoli delle aste che collegano le superfici funzionali dovrebbero essere abbassati. Dopo una nuova verifica da parte dello strumento di simulazione, le modifiche possono essere applicate al progetto (vedi Figura 12).

La costruzione ad aste del componente e le poche superfici di serraggio possibili favoriscono le vibrazioni durante la post-lavorazione, che portano a segni di vibrazioni. Pertanto, come si può vedere nella figura 11 e nella figura 13 (blu). Queste modifiche permettono di produrre l'intero componente in un unico processo di serraggio su una fresatrice CNC a 5 assi e quindi di rispettare tutte le tolleranze di forma e posizione richieste (vedi Figura 14).

Figura 12: cambio d'angolo dell'asse anteriore

Figura 13 Superfici di serraggio post-lavorazione

Figura 14: Post-lavorazione CNC

7 Prospettive

I supporti ruota topologicamente ottimizzati rappresentano un'altra pietra miliare nello sviluppo dell'auto da corsa di Delta Racing. Nella pre-stagione, sono stati installati dei portaruota fresati CNC. Con il design bionico, il potenziale della costruzione leggera ha potuto essere sfruttato e il peso del portaruota dell'anno precedente è stato ridotto del 50%. I nuovi portaruota pesano quindi circa 550 grammi per pezzo. Tutte le masse intorno alla ruota appartengono alle masse non sospese, che agiscono direttamente sul veicolo e non sono ritardate dalle molle e dagli ammortizzatori. Le masse non sospese hanno quindi un fattore di 7 alla massa totale in movimento. La drastica riduzione delle masse non sospese rende quindi il comportamento di guida significativamente più agile e notevolmente più maneggevole.

Figura 15: Montanti 2021