Simulaties en 3D-printen verbeteren voorframe VW Caddy

8 januari 2018

Alternatieve ontwerpmethodiek leidt tot compleet andere constructie

Simulaties voegen zowel waarde toe aan ontwerp- en engineeringprocessen, als aan 3D-printen en andere additieve productietechnieken. Een voorbeeld daarvan is het lichtere en sterkere voorframe van een VW Caddy, ontwikkeld binnen het 3i-Print-project. Hoewel deze klassieker maar een showcase is, maakt het de voordelen inzichtelijk van simulatiegebaseerd ontwerpen en 3D-printen voor andere toepassingen waarbij gewichtsbesparing belangrijk is. Zoals de ontwikkeling van elektrische voertuigen, medische hulpmiddelen en zelfs bouwconstructies.

Door de redactie

3D-Printen en andere additieve productietechnieken worden de laatste jaren steeds vaker toegepast, omdat daarmee lichtere en sterkere producten en onderdelen te maken zijn. Vooral in markten waar gewichtsbesparing belangrijk is voor bijvoorbeeld het energieverbruik en de materiaalkosten. Inmiddels zijn met industrieel 3D-printen tegen acceptabele kosten kleine series te fabriceren. In vergelijking met andere productietechnieken biedt 3D-printen een aantal interessante voordelen. Zoals de grote mate van flexibiliteit tijdens het ontwerpen en produceren, gereedschapvrij werken en de mogelijkheid meerdere functies te integreren in één component. De lucht- en ruimtevaartindustrie is momenteel toonaangevend op het gebied van 3D-printen, gevolgd door de automobielsector en medische markt. De komende decennia kunnen simulatiegebaseerd ontwerpen en 3D-printen onder andere waarde gaan toevoegen aan de wereldwijde transitie naar elektrisch rijden. Zoals het vergaand individualiseren van auto’s, integreren van functionaliteit en systemen en het innoveren van onderdelen.

 

Het analysemodel van de voorframestructuur in Altair Engineering’s HyperWorks dat gebruikt werd voor de simulatie en optimalisatie van de nieuwe voorframestructuur.

 

3i-Print
3i-Print is een gezamenlijk project van Altair, APWorks, csi entwicklungstechnik, EOS, GERG en Heraeus, om de mogelijkheden van simulaties en industrieel 3D-printen voor de automobielindustrie inzichtelijk te maken. Stefan Herrmann, lightweight design engineer van csi entwicklungstechnik legt het initiatief verder uit: “In dit project zijn additieve productietechnieken gecombineerd met kennis over autotechniek. Wij wilden niet zoals vaak wordt gedaan alleen maar de gegoten hoekstukken en andere delen vervangen door 3D-geprinte alternatieven. Onze doelstelling was te laten zien hoe een andere ontwerpmethodiek tot een compleet andere constructie van het voorframe leidt, waarbij de voordelen van 3D-printen beter worden benut.” De 3i-Print-projectpartners hebben binnen negen maanden tijd elke stap van het ontwikkeltraject geoptimaliseerd, vanaf de ideefase en simulaties tot en met de productie. Met als resultaat een VW Caddy-voorframe dat zowel lichter en stabieler is, als meer geïntegreerde functionaliteit bevat.

Het 3D-geprinte voorframe van de VW Caddy is lichter en stabieler en bevat meer geïntegreerde functionaliteit dan het origineel.

 

Ontwerpafwegingen
Door de trend richting elektrisch rijden wordt het warmtemanagement van de aandrijving en actuatoren steeds belangrijker, terwijl gewicht- en ruimtebesparingen het energieverbruik verlagen. Verder hebben de toenemende eisen op het gebied van veiligheid en rijcomfort uiteraard een grote invloed op alle ontwerpafwegingen. Csi entwicklungstechnik heeft het nieuwe VW Caddy-voorframe ontworpen met hulp van APWorks, een Airbus-bedrijf gespecialiseerd in 3D-metaalprinten en gecertificeerde serieproducties. Daarbij is Altair Engineering’s HyperWorks-software gebruikt voor het ontwerpen, simuleren en optimaliseren van de nieuwe voorframestructuur, zijn de crashtests gesimuleerd met Radioss en is tevens gebruikgemaakt van OptiStruct en solidThinking tijdens het optimaliseren. Vervolgens zijn alle onderdelen geprint op een EOS M 400-systeem met de door APWorks ontwikkelde sterke aluminiumlegering Scalmalloy. GERG, gespecialiseerd in prototypes voor de automobiel- en vliegtuigindustrie, heeft alle onderdelen geïntegreerd in het nieuwe frame.

Optimalisaties
Omdat Altair behalve CAE-software tevens engineering services levert, hebben zij ook kennis over het doorrekenen van de verschillende belastingsituaties en nieuwe materiaaleigenschappen aan het ontwerp toegevoegd. Voor het optimaliseren van de functionele integratie en het warmtemanagement is hun CFD-analysetool ingezet. Dit heeft onder andere geleid tot een betere luchtstroming voor het koelen van de batterijen en het remsysteem. Na het simuleren en optimaliseren van de geometrie voor 3D-printen heeft APWorks de finishing touch uitgevoerd voor het uiteindelijke productieproces. Hoewel additieve productietechnieken veel meer ontwerpvrijheid bieden, blijven er ook beperkingen van kracht. Voorbeelden daarvan zijn de wanddiktes van componenten, functionele integraties en de printoriëntatie om het materiaalgebruik te optimaliseren. Een andere uitdaging was het reduceren of na de productie hergebruiken van de benodigde supportconstructies voor 3D-printen. Door nauwe samenwerking hebben alle betrokken engineers het meest optimale voorframe weten te creëren.

Productieproces
3i-Print maakt de huidige stand van zaken op het gebied van 3D-metaalprinten inzichtelijker. De gebruikte EOS M 400-metaalprinter kan in korte tijd de meest complexe hoge kwaliteit onderdelen in kleine series produceren. Verder is de aluminiumlegering Scalmalloy door APWorks speciaal ontwikkeld en daardoor uitermate geschikt voor 3D-printtoepassingen in verschillende markten. Onder andere dankzij de korte afkoel- en stoltijd. Projectdeelnemer GERG, gespecialiseerd in het ‘materialiseren van ideeën, heeft uiteindelijk alle 31 onderdelen van het nieuwe 3D-geprinte VW Caddy-voorframe als een 3D-puzzel via TIG-lassen met elkaar verbonden. Ook met dit proces is al tijdens het ontwerpstadium rekening gehouden, om de toegankelijkheid te verbeteren en deformaties door warmteontwikkeling te voorkomen. Voor het controleren van de verbindingssterkte tussen alle onderdelen, hebben de engineers van GREG onder andere nog een aantal lassimulaties met de Scalmalloy-eigenschappen uitgevoerd.

 

De gerenderde versie van het geoptimaliseerde voorframe.

R&D en innovatie
Geïnitieerd door csi entwicklungstechnik is het 3i-Print-project een voorbeeldcase geworden voor het opzetten van een flexibel schaalbaar open engineeringplatform voor R&D-vraagstukken en het ontwikkelen van innovatieve prototypeconcepten. “Wij zijn trots op het nieuw ontwikkelde innovatieve voorframe voor een klassieke VW Caddy”, zegt Herrmann van csi. “Het laat de enorme potentie zien van industrieel 3D-printen voor zowel de automobielindustrie als andere marktsectoren.”

Tijdens de beurs formnext 2017, die medio november in Frankfurt plaatsvond, hebben Altair en APWorks samen de ‘making of 3i-Print’ aan het publiek gepresenteerd. Altair demonstreerde tevens nieuwe functionaliteit van solidThinking Inspire, zoals ondersteuning van supportconstructies voor 3D-printing, het genereren en visualiseren van hybride ‘lattice’ structuren en de oriëntatie van componenten voor het printen. Ten slotte introduceerden ze ook nog Inspire Unlimited, een productontwikkelingsplatform in de cloud, dat binnenkort voor Europa beschikbaar komt.

Comments are closed.