STROJIRENSTVI.CZ KONSTRUKTER.CZ 3D-TISK.CZ MATEMATIKA.CZ HLEDAME.CZ

Topologická optimalizace pádel řazení studentské formule

Prototypová výroba součástí pro závodní vozy je jednou z oblastí, kde lze vhodně využít vrstvené laserové spékání práškových kovů. Společnost Misan se touto problematikou aktivně zabývá od loňského roku.

V rámci spolupráce firmy Misan a týmu studentské formule ČVUT CTU Cartech vznikl návrh a úspěšná realizace nové optimalizované konstrukce pádel řazení. V dalším textu přinášíme stručný náhled do konstrukční kuchyně závodního týmu, kde inovace představují základní používanou ingredienci. Zástupci Misanu věří, že podobně inovativní zůstanou budoucí absolventi ČVUT i ve svých povoláních a přispějí tak k růstu konkurenceschopnosti našeho průmyslu.

Sestava elektro-pneumatického řazení ve 3D modelu s optimalizovanými pádly.

Sestava elektro-pneumatického řazení ve 3D modelu s optimalizovanými pádly.

V každém autě týmu CTU Cartech se již od roku 2009 používá systém elektro-pneumatického řazení. Ten umožní zkrátit dobu řazení pod 0,2 sekundy, což přináší požadované zrychlení na trati. Hlavními prvky tohoto systému jsou elektropneumatické ventily, zásobník na stlačený CO2, řídicí jednotka a v neposledně řadě pádla, pomocí kterých řidič tento systém ovládá.

Na provedení těchto pádel je vždy kladen velký důraz, protože musí vydržet veškeré namáhání během zmáčknutí a poskytovat řidiči co nejpřesnější odezvu. Zároveň se při návrhu vozu kategorie Formula Student dbá na celkovou hmotnost. Tu se tým CTU Cartech snaží maximálně snížit v každém ročníku vývoje formule.

Výsledek topologické optimalizace, kterého bylo dosaženo po 46 výpočetních iteracích.

Výsledek topologické optimalizace, kterého bylo dosaženo po 46 výpočetních iteracích.

Na autě pro sezónu 2013 byla pádla řazení vyrobena ze dvou vrstev uhlíkových vláken o tloušťce 0,5 mm. Jako tlačítka byla použita tlačítka z běžné počítačové myši. Právě jejich odezva byla pro řidiče největším problémem loňského řešení.

Konstrukční návrh pádel řazení v CAD softwaru.

Konstrukční návrh pádel řazení v CAD softwaru.

Proto pro tento rok se tým zaměřil na řešení problému s odezvou. Po podrobné analýze velkého množství běžně dostupných tlačítek bylo vybráno jedno, které poskytovalo nejlepší odezvu. Původní varianta počítala s pádly vyrobenými pomocí 3D tisku z ABS plastu o celkové hmotnosti 8 g. Při testování prvních prototypů se však ukázalo, že použití plastu u tohoto druhu součásti není vhodné kvůli způsobu jejího namáhání.

Výhody laserového spékání kovů

Díky podpoře firmy Misan bylo možné se zamyslet nad využitím metody laserového spékání práškových kovů. S ohledem na minimalizaci hmotnosti byla vybrána jako výchozí materiál hliníková slitina s označením AlSi10Mg.

Jelikož je metoda laserového spékání LaserCusing vhodná mj. pro tvarově komplikované součásti, které není možné vyrobit s použitím konvenčních technologií, bylo rozhodnuto součást navrhnout s využitím topologické optimalizace tvaru.

Pro tento účel byl ohraničen prostor pro pádlo tak, aby pádlo v žádné poloze nekolidovalo s okolními součástmi ve voze. Následně byla zvolena pozice oproti volantu tak, aby řidič mohl pohodlně dosáhnout na pádla během řízení formule. Maximální síla, kterou je schopen člověk vyvinout při zmáčknutí takového pádla, byla změřena experimentálně u všech řidičů.

Softwarová optimalizace tvaru

Pádla vyrobená z hliníkové slitiny mají sice mírně vyšší hmotnost než tentýž tvar z plastu, zato však disponují nesrovnatelně větší pevností.

Pádla vyrobená z hliníkové slitiny mají sice mírně vyšší hmotnost než tentýž tvar z plastu, zato však disponují nesrovnatelně větší pevností.

Navržený model byl převeden do prostředí programu Hyperworks. V souladu s uchycením pádel ve formuli byly definovány okrajové podmínky potřebné pro optimalizační smyčku. Následně proběhla topologická optimalizace pomocí řešiče OptiStruct. Optimalizace probíhala se dvěma podmínkami:

  • maximální celkové napěti vzniklé při zatížení 100 MPa,
  • podmínka minimální hmotnosti.

Ideální tvar součásti byl nalezen po 46 iteracích. Během každé iterace optimalizační program odebíral materiál z nejméně namáhaných míst a následně proběhl MKP výpočet namáhání součásti. Finální tvar byl převeden do prostředí CAD softwaru a následně zadán do výroby na stroji M2 Cusing od firmy Concept Laser.

Výsledná páčka má hmotnost 11 g, což je malý rozdíl oproti plastové variantě, přičemž s použitím laserového spékání se povedlo navrhnout tuhá pádla s dostatečnou pevností. To bylo prokázáno při testování a závodech, kdy formule absolvovala již celkem 500 km.

Napsal Nikita Astraverkhau ze studentského týmu CTU CarTech ve spolupráci se společností Misan.

www.misan.cz

Concept Laser M2 Cusing

Concept Laser MS Cusing

Concept Laser MS Cusing

Stroj M2 Cusing od firmy Concept Laser slouží pro laserové spékání kovových prášků, jako např. korozivzdorné, nástrojové oceli, slitin titanu, hliníku, CoCr, inconelu nebo drahých kovů (Au, Ag). Systém vyrábí součásti aditivní technologií, známou také jako rapid prototyping, kdy dochází k lokálnímu natavení ve vrstvách nanášeného kovového prášku pomocí laseru. Uplatnění nachází při výrobě hotových dílů, které nelze běžnými výrobními metodami zhotovit (např. s konformním vnitřním chlazením, bezešvě zřetězené díly, atd.) nebo při prototypové výrobě odlitků a plechových výlisků bez nutnosti výroby formy, případně tvářecích nástrojů. Stroj lze využít v oblasti automobilového, leteckého, lékařského, dentálního, šperkařského průmyslu a v oblasti výroby vstřikovacích forem. Stavební prostor zařízení ovlivňující maximální velikost jednotlivého výrobku činí 250 × 250 × 280 mm. Tloušťka vrstvy dosahuje dvaceti až osmdesáti mikrometrů v závislosti na zvoleném materiálu. Tím je ovlivněna taktéž produktivita výroby v rozmezí dvou až dvaceti kubických centimetrů za hodinu.

 

Mohlo by vás také zajímat

Přidejte k článku svůj komentář

Komentář podléhá autorizaci ze strany redakce, proto se nezobrazí ihned po vložení. Vyhrazujeme si právo odstranit příspěvky, které jsou v rozporu s dobrými mravy nebo platnou legislativou. Slušnou a konstruktivní diskusi vítáme!