Vplyv CAD, CAM a MKP softvérov v procese výroby reálnych prototypov automobilového priemyslu

Autormi sú Španielka Ján1, Pavlík Ľubomír1,
1Ústav materiálov a mechaniky strojov SAV, Račianska 75, 831 02 Bratislava 3, Slovenská Republika

Abstrakt: Kovové peny patria do skupiny menej známych konštrukčných materiálov. Možnosti ich využitia a možnej aplikácie majú však významný potenciál. Nízka hmotnosť v kombinácií s vysokou tuhosťou za prijateľné náklady tvoria súbor ťažiskových výhod. Použitie hliníkovej peny je prakticky neobmedzené: penové duté profily, penové panely, sendviče, prototypy ale rovnako sú vhodné na výrobu komplexnejších 3D tvarov. Z penového hliníka môžu byť vyrobené rôzne konštrukčné časti nie len za účelom zníženia hmotnosti pri zachovaní tuhosti. Cieľom môžu byť zmeny vzhľadom na prenos energie vo forme tepla či  dokonca zlepšenie tlmiacich charakteristík komponentov. Ku zásadným výhodám patrí aj možnosť recyklácie hliníkových pien a ich ekologická nezávadnosť. Kovové peny zároveň patria do skupiny anizotropných látok. Proces numerickej simulácie je preto náročnejší.

Kľúčové slová: Geomagic, Ansys, braket, tlmenie, vibrácie, penový hliník

Úvod: Hluk, vibrácie a „nepohoda“ (NVH - noise vibration harshness) známe taktiež ako N&V sa zaoberá štúdiom a modifikáciou vibračných vlastností vozidiel, najmä osobných a nákladných automobilov. Kým hluk a vibrácie možno ľahko merať - „nepohoda“ je subjektívne kvalitatívne hodnotenie pomocou individuálneho prístupu, prípadne s analytickými postupmi, ktoré poskytujú výsledky odrážajúce subjektívne dojmy. Rovnako sú známe ako psychoakustické.

Výskum NVH v interiéri sa zaoberá hlukom a vibráciami, ktoré zažívajú cestujúci v kabíne motorového vozidla. Zatiaľ čo výskum NVH v exteriéri sa zaoberá hlukom emitovaným vedeným vozidlom. Ťažiskom výskumu bola súčasná analýza NVH v interiéri osobného automobilu a následne zlepšenie vibračných charakteristík modifikáciou súčasných braketov (nosných držiakov motora), ktoré prenášajú vibrácie z motora do interiéru a vývojom nových braketov (prototypov) z hliníkovej peny obr.1 A).

 

Obr.1 A) priebeh rezonančnej frekvencie originálneho braketu LH, B) schéma a orientácia braketov v motore
1 Hlavné ciele projektu ENGINE BRACKET

Cieľ č.1) Redukovanie NVH (obr.1 A) na vybranom motorovom držiaku (LH bracket - ľavom) pomocou vhodných inzertov vyrobených technológiou RAPID-PROTOTYPING v kompetencií INOVAL-u s využitím CAD a CAM softvérov na rekonštrukciu dát. Cieľ zahrňuje nasledovné súčasti: a) 3D skeovanie súčiastky, b) rekonštrukciu 3D dát, c) porovnanie 3D skenu s pôvodnou geometriou, d) grafické spracovanie inzertov, e) výroba inzertov, f) porovnanie NVH.

Obr.2 Filozofický postup dosiahnutia cieľov (štruktúrogram)

2 Proces 3D skenovania a rekonštrukcie dát pomocou softvéru GeoMAGIC®

Držiak motora (braket) bol oskenovaný pomocou 3D bezdotykového skenovacieho zariadenia. Skeny boli následne upravené pomocou softvéru na rekonštrukciu dát  GeoMAGIC® a porovnané z originálnym 3D modelom. Ide o nevyhnutný základný krok, ktorý nadväzuje na numerickú simuláciu, presný tvar analyzovanej súčiastky má zásadný vplyv na výsledky.

Obr.3 A) LH bracket - reálna súčiastka, LH bracket 3D sken, A) proces rekonštrukcie modelových dát, B) finálne porovnanie

 

Obr.4 interpretuje prípravu geometrického modelu braketu LH v inžiniersko-vedeckom softvéri ANSYS® Workbench. Využívaného v priestoroch inoval-u. Braket bol spracovaný v niekoľkých fázach – import (príprava geometrie), definovanie materiálových vlastností (silafont 36), definovanie atribútov, typu analýzy, definovanie „named selection“ zaťažovaných oblastí, zaťažovacích krokov a.i. Konečnoprvkový softvér bol aktívne využitý na pevnostnú analýzu, a analýzu harmonickej odozvy (harmonic response ).

Obr.4 Proces spracovania geometrických modelov pomocou softvéru pracujúceho na základe MKPA) základný tvar braketu LH iso zobrazenie, B) konečnoprvková sieť v programe ANSYS

 

3 Výroba Al inzertov v pomocou keramickej škrupiny pre braket LH

Pre proces výbory inzertov bola využitá duina braketu LH, do ktorej bol naliaty roztavený vosk, tvoriaci základný prvok pri výrobe keramickej škrupiny. Technológia tvorby škrupiny je založená na metóde presného odlievania pomocou vytaviteľných voskových modelov a je známa niekoľko desaťročí. Do teraz však nebola použitá na výrobu produktov z kovovej peny (na vypeňovanie). Inzerty majú pomerne zložitú topológiu a výroba konvenčným spôsobom by bola finančne aj časovo náročná. Finančné aj časové náklady na výrobu prototype takéhoto typu tvoria zlomok z času aj ceny pri konvenčnej výrobe (obr.5 B, C, D).Inzerty vyrobené pomocou keramickej škrupiny boli vlepené pomocou silikónu do dutiny braketov, následne bola znova meraná rezonančná frekvencia. Na obr. 5 A) je možné vidieť priebeh frekvencií originálneho braketu a braketov LH s inzertami.

Obr.5 A) Výsledky experimentov (frekvenčná odozva) braketu LH, B) inzert v škrupine, C) voskový model a penovo hliníkový inzert, D) výroba keramickej formy

 

4 Zhodnotenie cieľu č.1

Súčiastka bola rekonštruovaná pomocou CAD, CAM softvérov. Výsledky slúžia ako podklady pre numerickú analýzu. Počas tvorby numerických analýz s cieľom indentifikovať problematické oblasti náchylné na vznik trhliny (miesta ktoré sú potrebné v redizajnovanom tvare spevňovať) boli vyrábané inzerty z hliníkovej peny. Hliníková pena výrazne zvyšuje tlmiace vlastnosti zostavy (braket + inzerty) čo potvrdzuje aj priebeh rezonančných frekvencií na obr.3 A). Pre upevnenie inzertov v brakete bol použitý silikón. Použitie inzertov má aj svoje nevýhody. 1) zvýšenie hmotnosti približne o 30%, 2) použitím silikónového lepidla nastáva problém recyklácie zostavy, 3) problém navýšenia ceny pôvodného braketu o cenu inzertov. Nevýhody by mohli byť odstránené novým redizajnovaným braketom z kovovej peny - cieľ č.2.

Cieľ č.2) bude mať za úlohu výrobu inovovaného prototypu motorového držiaka (LH-braket) z kovovej peny pomocou novej technológie. Výroba zahrňuje kompletný redizajn  aktuálneho bracketu s dôrazom na 3 pravidlá:

  • a) zachovať vonkajší (existujúci) tvar braketu, aby sazabránilo  prípadným kolíznym situáciám s inými časťami motora,
  • b) udržať, alebo zlepšiť vlastnosti NVH merané v prvej fáze,
  • c) udržať alebo znížiť výrobné náklady existujúcich braketov.

Filozofia cieľu č.2 bude vychádzať zo skúseností a numerických experimentov cieľu č.1, (obr. 2). Na základe 3D skenov braketu bude možné využiť 3D modely z CAD, CAM softvérov na analýzu napäťovo deformačných priebehov v súčiastke. Výsledky budú tvoriť nosný pilier pre návrh redizajnovaného tvaru. FEM softvéry v tomto prípade tvoria neoddeliteľnú súčasť predikcie napäťovo deformačných stavov v súčiastke pri zaťažení. Na základe získaných dát bude možné účinným spôsobom identifikovať kritické miesta náchylné na vznik porušenia pri zaťažení. Identifikované kritické miesta spevniť a vo virtuálnom prostredí vytvoriť niekoľko variant a možností.

5 Záver

Článok je rozdelený na dve časti praktickú a teoretickú (prípravnú). Prvá časť - (cieľ č.1) sa zaoberá počítačovým spracovaním geometrických modelov a reálnou výrobou inzertov, ktorých cieľom je znížiť hodnoty NVH a zlepšiť charakteristické vlastnosti súčiastky. Cieľ č.1 bol splnený a výrobou inzertov pomocou vytaviteľného voskového modelu a keramickej škrupiny. Výsledky meraní frekvenčnej odozvy jednoznačne potvrdili radikálne zlepšenie s použitím vlepených inzertov. Avšak filozofia inzertov má nevýhody spojené s recykláciou, zvýšením hmotnosti a ceny. Aj na základe spomenutých nevýhod bola spracovaná koncepcia vývoja redizajnovaného dielu. Redizajnovaný - hybridný odliatok bude kombináciou kovovej peny, kovovej sieťky a  povrchovej kovovej vrstvy. Hybridný odliatok bude odstraňovať všetky nedostatky vyplývajúce z prvej koncepcie. Produkt je recyklovateľný, bude mať nižšiu hmotnosť ako pôvodný braket pri zachovaný pevnostných charakteristík. Zároveň bude významným spôsobom zredukovaná frekvenčná odozva oproti originálu aj oproti braketu s inzertami. Výsledný tvar bude výsledkom veľkého množstva numerických simulácií v kombinácií s reálnymi experimentami (crasch) testami.

Použitie CAD, CAM a MKP softvérov tvorí neoddeliteľnú súčasť procesu tvorby nových inovatívnych komplexných produktov. Len na základe výsledkov komplexných simulácií je možné predikovať požadované vlastnosti ako sú pevnosť, deformácia a mnohé iné, ktoré sú následne použité pri výrobe reálnych súčiastok.

 

Poďakovanie.

Uvedená publikácia bola vytvorená realizáciou projektu „Budovanie technicke infraštruktúry výskumného centra SAV na výskum ľahkých kovov a kompozitov - INOVAL“, ITMS kód  projektu: 26210120014, na základe podpory Operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra:
[1]  F. Simancik, “Metallic foams - ultra light materials for structural applications”, magazine Inzynieria Materialowa Nr.5/2001, 823~828.
[2] F. Simancik, W. Rajner, R. Laag, “Alulight - Aluminum foam for Lightweight construction”, Copyright© 1998 Society of Automotive engineers, 2000-01-0337.
[3] J. Kovacik, F. Simancik, “Aluminum foam - modulus of elasticity and electrical conductivity according to percolation theory”, In Scripta Mater., 39, 2, 1998, p. 239-246.
[4]  F. Simancik, J. Jerz, J. Kovacik, P. Minar, “Aluminum foam - a new lightweight structural material” In: Metallic Mater., 354, 1997, p. 265-277