Перед современным автомобилестроением встала задача: создать несущую конструкцию автомобиля, рассчитанную на различные варианты двигателей и энергоаккумулирующих систем, которых становится все больше. Кузов автомобиля завтрашнего дня должен быть не только легче, чем сейчас.
Прежде всего, необходима конструкция с высоким уровнем адаптируемости — учитывая множество типов альтернативных двигателей, выпускающихся малыми партиями. Соответственно, расширяется модельный ряд автомобилей, а значит, необходима разработка адаптируемых вариантов кузовов, экономичных в производстве. Уже в обозримом будущем возможны принципиально новые подходы к решению этих задач — благодаря аддитивному производству.
Предложенная немецкой конструкторской компанией EDAG концептуальная модель Light Cocoon представляет собой компактный спортивный автомобиль. Его каркас, выполненный по принципам бионики и изготовленный по аддитивным технологиям, облицован снаружи водонепроницаемой тканью. Проект EDAG Light Cocoon представили в Женеве на выставке Geneva Motor Show (март 2015 г.) и во Франкфурте на международной выставке International Motor Show (сентябрь 2015 г.). Разработка призвана спровоцировать дизайнеров на полярно противоположные мнения, так как разрушает сформировавшиеся в автомобилестроении стереотипы. Так, например, за счет бионических элементов каркаса удалось снизить массу кузова. Концепция не только воплотила в себе технологический потенциал аддитивного производства, но и продемонстрировала экологически рациональный подход к автомобилю.
Технологическое решение: каркасный кузов NextGen объединил малый вес и универсальность; функциональный бионический каркас легок и адаптируется к требованиям производства
В рамках совместного проекта немецкие компании EDAG Engineering (Висбаден), Laser Zentrum Nord (Гамбург), Concept Laser (Лихтенфельс), а также итальянская BLM Group (Канту) методом гибридного производства изготовили бионический каркас кузова. Перед ними стояла задача найти новые подходы к универсализации кузова и реализовать их в виде прототипа. Такие прототипы можно легко адаптировать на производстве, обеспечивая выпуск расширенного модельного ряда автомобилей — рассчитанных на различные двигатели и уровни нагрузки. Каркас состоит из изготовленных по аддитивной технологии узловых элементов и обработанного на лазерном оборудовании профиля. Благодаря преимуществам аддитивного производства, узловые элементы удалось сделать многофункциональными и адаптируемыми. Соответственно, в режиме «по требованию» можно выпускать различные модификации кузовов — без дополнительных инструментов, затрат и оборудования. Сочленяют узловые элементы отрезки стального профиля. При необходимости его тоже легко адаптировать под нужные нагрузки, варьируя толщину и геометрию стенок.
Каркасный кузов NextGen в деталях
Каркас NextGen собран из полученных по аддитивной технологии узловых 3D-элементов и обработанного на лазерном оборудовании стального профиля. Узловые элементы можно изготавливать на предприятии — для нужной модификации и в нужной последовательности (just in sequence, JIS). Профилю придают нужную форму и длину: сначала по технологии гибки свободных форм, затем на установках двух- и трехмерной лазерной резки (2D/3D). Задача — соединить между собой отдельные компоненты так, чтобы получить гибридный каркас с оптимальной топологией, что до сих пор не представлялось возможным. Для этого используется лазерная сварка, которая может обеспечить сварные швы сложной формы без риска перегрева. Детали соединяют внахлестку и сваривают угловым швом. Аддитивные узловые элементы плотно охватывают профиль по всему геометрическому контуру — для этого с него предварительно снимают 3D-замеры. При таком соединении возможна кольцевая сварка швов большой протяженности с высокой точностью совмещения деталей: узловой элемент автоматически юстирует профиль и фиксирует его. В производстве используется лазерный модуль высокой яркости с управляемой компьютером оптической частью. Стоит отметить, что лазерные технологии обработки профиля и узлов при сборке можно в значительной степени автоматизировать.
Предложенная концепция отличается большим потенциалом по сокращению производственных затрат и экономии времени. Выпускаемые по аддитивной технологии узловые элементы можно адаптировать с учетом различных уровней нагрузки, в т. ч. за счет добавления дополнительных элементов жесткости в модификации, где нагрузки высоки. Соответственно, каждая модификация проектируется с учетом оптимальной массы и функциональности как гибридная конструкция: в каркасе отрезки профилей имеют необходимую длину и сочленяют узловые элементы. Параметры и тех, и других рассчитываются в CAE/CAD-программах, что гарантирует соответствие техническим требованиям к кузову.
В рамках проекта EDAG Engineering отвечала за разработку и оптимизацию каркаса, а также за общую координацию, Laser Zentrum Nord — за лазерную сварку, BLM Group — за гибку и лазерную резку. Компания Concept Laser взяла на себя аддитивное производство узловых элементов. Успешная реализация концепции стала возможной только благодаря сотрудничеству партнеров из разных отраслей и высочайшему уровню квалификации их специалистов.
Аддитивное производство узлов каркаса NextGen
Технология LaserCUSING от Concept Laser предназначена для послойного формирования изделий на базе данных из файлов 3D CAD. По этой технологии можно выпускать детали сложной геометрической формы без использования инструмента. Более того, можно выпускать такие детали, которые невозможно либо крайне сложно воспроизвести на традиционном производстве. Узловые элементы нельзя получить стальным литьем.
Чтобы гарантировать отсутствие дефектов в изделии, для плоскостей с углом наклона менее 45° по отношению к рабочей платформе необходимы структуры поддержки. Помимо поддержки такие структуры снимают внутренние напряжения, предотвращая деформацию деталей. Учитывая сложную геометрию узловых элементов, качественная подготовка структур поддержки критична для успешного производства. Добавив структуры поддержки, деталь разрезают в программе на отдельные слои. Данные поступают в комплекс LaserCUSING, настраиваются параметры, и запускается процесс печати. Узловые элементы были получены на комплексе Concept Laser X line 1000R с лазером 1 кВт, рабочая зона которого (630 x 400 x 500 мм3) по размерам соответствовала задачам проекта. Более крупной рабочей зоной для послойного лазерного плавления металлов оснащена только новая модель X line 2000R (800 x 400 x 500 мм3) с двумя лазерами по 1 кВт, тоже производства Concept Laser.
Выводы: цифровое 3D-производство с лазерными технологиями
Предложенная концепция каркаса автомобильного кузова объединяет преимущества 3D-печати, включая адаптируемость и легкость изделий, с эффективностью положительно зарекомендовавших себя традиционных конструкций из профиля. Обе технологии основаны на применении лазеров. Полученные узловые элементы характеризуются оптимальной топологией: с одной стороны, это высокая степень многофункциональности, с другой — минимально возможная на сегодняшний день масса. И узловые элементы, и отрезки профилей адаптируются к новым формам и нагрузкам без дополнительных издержек. Каждую деталь можно проектировать с учетом конкретных параметров, а не подгонять, как ранее, под наибольшие нагрузки или самый мощный двигатель. Таким образом, есть возможность подобрать наилучшую конструкцию из узловых элементов и профиля для модели с конкретными параметрами. Результатом становится каркас с оптимальным распределением нагрузки. Задействуя производственные технологии, не требующие большого количества оборудования и инструмента, в будущем можно будет экономически выгодно выпускать легко адаптируемые кузова автомобилей.
EDAG Engineering
EDAG Engineering GmbH — ведущая международная независимая конструкторская компания, работающая в сфере автомобилестроения и создающая готовые к производству транспортные решения, ориентированные на будущее. Ассортимент услуг компании включает профессиональную разработку транспортных средств и вспомогательных решений, кузовов, модулей, производственного оборудования, а также моделирование, создание прототипов, литейных форм. Технологические центры компании, охватывающие сферы «легких конструкций», «электротранспортных средств», «освещения и обзора», «передачи данных / автомобильных ИТ», вносят свой вклад в отраслевые инновации, способствуя ускоренному внедрению технологических разработок в серийное автомобилестроение. Прогнозные объемы продаж EDAG на 2015 г. составляли 675 млн. евро при штате в 7900 сотрудников в разных странах мира.
Laser Zentrum Nord
Специализируясь на лазерных технологиях, компания Laser Zentrum (LZN) видит себя связующим звеном между научными исследованиями и производственными задачами, давая компаниям эффективный импульс к развитию и позволяя им наращивать конкурентоспособность, не забывая об экологии. Ее исследования, разработки и консультации охватывают всю технологическую цепочку — от анализа технической реализации до контроля качества продукции. Среди партнеров LZN представители самых разных отраслей: авиа-, автомобиле- и кораблестроение, медицина, инструментальная промышленность и машиностроение. В полном соответствии с принципом "Инженеры света - фотонные решения для ресурсосберегающей продукции» разрабатываются, оптимизируются и внедряются компоненты из титана, традиционной и нержавеющей стали, алюминия и композитов. Так, например, совместно с компаниями Airbus и Concept Laser была разработана новая производственная технология для изготовления металлической детали методом 3D-печати - кронштейна из титана для внутренней части аэробуса Airbus 350 XWB. Инновационность и коммерческие перспективы проекта с названием "3D-печать - промышленная революция начинается» произвели впечатление на жюри: он попал в финал конкурса "Немецкая премия будущего".
Группа BLM
Группа компаний BLM - признанный лидер в сфере автоматических комплексов для обработки труб: 2D- и 3D-лазерная резка, раскрой, гибка, формовка, замеры. Девизы компании "Трубы - это мы" и "Все в комплексе" отражают знания и опыт в производстве деталей из труб. Здесь рассчитывают упростить и удешевить производство для заказчиков из самых разных отраслей: автомобилестроение, интерьер и отделка, гражданские и промышленные системы отопления и кондиционирования, с/х техника, мотоциклы, строительство, механика и пр. Разработка, проектирование и производство систем BLM осуществляются исключительно силами трех итальянских предприятий группы: BLM, Adige и Adige-Sys. Через сеть филиалов и сервисных центров компания со штатом из более чем 500 сотрудников представлена во многих странах мира. При разработке новых продуктов и решений здесь неизменно ориентируются на инновации как источник дополнительных выгод для заказчика. Именно поэтому BLM постоянно инвестирует значительную часть доходов в исследования и разработки, принимает участие в инновационных проектах.
Перевод Олеси Зайцевой
По материалам НИССА Printcad
