Aditivní výroba, neboli 3D tisk, dobývá svět jako alternativa k tradičním výrobním metodám, protože nabízí mimo jiné možnost výroby velmi odlehčených konstrukcí. Aditivní výroba umožňuje vyrobit komponenty, které jsou nejen lehké, ale zároveň pevné. Letecký průmysl byl průkopníkem v této výrobě a nyní tuto inovativní výrobní technologii využívají i další odvětví, jako např. automobilový průmysl.

Zejména elektromobilita profituje z možnosti aditivní výroby 3D tiskem, kde pomáhá dosáhnout hmotnostních cílů, protože je možné současně dosáhnout komplexních geometrií a efektivního využití materiálu.

Příkladem inovativního produktu vyrobeného touto metodou je motocykl Light Rider od Airbus APWorks. Je to první motocykl na světě, který byl vyroben technologií 3D tisku. „Tak komplexní, rozvětvená a dutá struktura nemůže být vyrobena konvenčními výrobními postupy, jako je svařování nebo frézování,“ vysvětluje Joachim Zettler, výkonný ředitel společnosti Airbus APWorks, kterou zcela vlastní společnost Airbus Group. Tento nový design mohl být realizován jen díky topologické optimalizaci a novým inovativním materiálům, vyvinutým přímo ve společnosti Airbus.

APWorks Light Rider: Úspěch s designovou studií

Motocykl Light Rider vznikl jako designová studie ve společnosti APWorks, aby předvedl současným i potenciálním zákazníkům možnost 3D tisku kovů. Vývoj pro firmu APWorks znamená vytvoření zcela nových komponent a produktů s využitím kombinace redesignu, optimalizace materiálu a 3D tisku. Kombinace těchto faktorů vede k úspoře nákladů a hmotnosti, může zkrátit čas potřebný na montáž a pomáhá integrovat nové a dodatečné funkce do jednotlivých dílů a komponent. Konstrukce rámu elektrického motocyklu vychází ze strukturální optimalizace inspirované základními přírodními principy. Vizuálně design Light Rideru připomíná „Cafe Racer“, anglický sériový motocykl ze šedesátých let 20. století, přestavěný na závodní stroj. Poté, co si inženýři v APWorks zvolili komponenty jako světlomet, sedlo nebo a barvu, mohli začít s návrhem motocyklu.

Kromě topologické optimalizace bylo důležitým faktorem úspěchu použití materiálu Scalmalloy, speciální hliníkové slitiny vyvinuté společností Airbus. Tento materiál je nejen odolný proti korozi, ale navíc kombinuje lehkost hliníku s pevností podobnou titanu.

„Motocykl Light Rider demonstruje, jak moc jsme schopni snížit hmotnost vytvořením jemné struktury, která může být realizována pouze využitím vysokopevnostních materiálů, jako je Scalmalloy,“ vysvětluje Zettler.

Simulací řízený návrh designu s využitím HyperWorks

Inženýři APWorks využili pro návrh rámu několik simulačních nástrojů od společnosti Altair HyperWorks, které jsou jedním ze standardních vývojových nástrojů ve firmě od jejího založení v roce 2013.

Patrick Schürmann, projektový inženýr pro optimalizace a design v APWorks a několik posledních měsíců také zodpovědný projektový inženýr za technickou podporu vývoje motocyklu Light Rider, vysvětluje: „V našem vývojovém procesu využíváme HyperMesh pro modelování, OptiStruct pro analýzy metodou konečných prvků a pro topologickou optimalizaci a HyperView pro postprocesorové úlohy. Pro změny konstrukce rámu a stylistické práce na Light Rideru jsme využili externí CAD systém. Ale pro budoucí projekty máme v úmyslu provést tento vývojový krok pomocí nástroje Evolve, který patří pod solidThinking, takže celý vývojový a simulační proces bude realizován s využitím produktů společnosti Altair.“

Jak dostát výzvám 3D tisku díky optimalizaci

V projektu, jako je Light Rider, generující optimalizovaný model pro 3D tisk, museli inženýři překonat 3 hlavní výzvy:

1. Vytvoření optimálního tvaru na základě daných okrajových podmínek – vývojový krok, který může být řešen topologickou optimalizací.
2. Odvození geometrie z výsledků optimalizace – místo využití tradičních CAD nástrojů lze využít Evolve a Inspire (nástroje od solidThinking), vedoucí k rychlejším a lepším výsledkům.
3. Zohlednění specifických výrobních omezení 3D tisku, která nejsou předmětem optimalizace.

Příprava optimalizace

Pro komplexní optimalizaci dílu, jako je rám motocyklu Light Rider, musí být určité konstrukční parametry specifikovány jako okrajové podmínky. Např. je nutné znát rozvor kol, stejně jako geometrické pozice řídítek, stupaček a také sedla, které určují celkovou ergonomii. Při samotné optimalizaci se definuje návrhový prostor, který se záměrně navrhuje co největší s ohledem na celkové možné rozměry rámu motocyklu. Díky všem těmto vstupním informacím jsou známy pozice zatížení od komponent, které jsou k rámu připevněny.

Software identifikuje optimální cesty zatížení a poskytne detailní informace o tom, kde a kolik materiálu je potřeba. Zátěžové stavy motocyklu, které u této optimalizace musejí být zohledněny, vycházejí z tabulky dat (např. normálové síly na pneumatikách, tření atd.). Motocykl má různé body, např. řídítka nebo stupačky, kde mohou působit síly, a jsou tedy také definovány jako zatížení na rám.

Již při samotném návrhu musí být také zohledněna celková montáž motocyklu, stejně tak jako specifické okrajové podmínky – např. pozice děr a připevňovací body. Již v koncepční fázi musí inženýři zajistit přístupnost všech šroubových spojů, aby byla zaručena smontovatelnost produktu a aby nebyl přehlédnut žádný detail.

Topologická optimalizace s využitím OptiStruct a Inspire

Topologická optimalizace nabízí cennou pomoc v oblasti simulací a designu. Nadefinováním maximálního návrhového prostoru, zatížením a okrajovými podmínkami stanovíme cíl optimalizace. Na základě těchto vstupních informací je software schopen vypočítat optimální návrhový tvar, např. konstrukci s minimální hmotností, která zároveň splňuje všechny požadavky na pevnost a hodnoty vlastních frekvencí.

Návrh designu vychází ze základních přírodních principů a poskytuje mimořádný designový koncept. Topologická optimalizace je velmi vhodná zejména pro aditivní výrobu, protože materiál je nadefinován pouze tam, kde je potřeba – což se dá realizovat pouze u 3D tisku. Další výhodou programů OptiStruct a Inspire je nadefinování prostoru, který k optimalizaci určen není. „Naši inženýři mají bohaté zkušenosti s užíváním HyperWorks programů. Líbí se nám práce s těmito softwary, protože víme, že se na výsledky produktů Altair můžeme spolehnout. Využíváme tyto softwarové nástroje v různých vývojových fázích. Simulací řízený návrh designu je pro nás velmi důležitý, protože přináší inovativní a spolehlivé výsledky. Bez těchto procesů by nebylo možné dosáhnout tak skvělých výsledků,“ řekl Patrick Schürmann.

Další otázkou je, jak zacházet s komplexními konstrukcemi, jako jsou výsledky topologické optimalizace v CAD nebo CAE softwarech. Po optimalizaci je často nutné strukturu vyhladit, aby bylo možné provést 3D tisk. „To vyžaduje mnoho zkušeností s úpravami konstrukčních návrhů na základě topologické optimalizace a také s požadavky na výrobu,“ vysvětluje Patrick Schürmann. Poté, co je struktura vyhlazena, následuje další analýza metodou konečných prvků, aby se překontrolovalo zatížení, napětí a další důležité parametry. Pro zohlednění výrobních omezení je výhodné využít příslušné katalogy a návody. V neposlední řadě jsou v tomto procesu velmi cenné zkušenosti a znalosti inženýrů APWorks. „Je to kombinace zkušeností a softwarových řešení. Od té doby, co společnost Airbus v rámci interního výzkumu a vývoje vyvinula požadovaný materiál, jsme schopni komunikovat přímo s materiálovými inženýry. Toto je velmi důležité, protože díky tomu simulační inženýři a konstruktéři vždy vědí, jak se materiál zachová a jsou pak schopni vytvořit požadovanou geometrii pro 3D tiskárnu,“ vysvětluje Patrick Schürmann.

3D tisk kovů

Pro výrobu kovového (Scalmalloy) rámu motocyklu pomocí 3D tisku bylo třeba zohlednit velikost a orientaci dílů na 3D tiskárně. Jelikož do dnešní doby žádná 3D tiskárna není schopna vytisknout takový rám z jednoho kusu, musejí se vyrábět jednotlivé části rámu samostatně. V tomto případě byla orientace jednotlivých dílů optimálně zvolena pro využití prostoru tiskárny, který byl k dispozici.

Přestože podmínky pro 3D tisk jsou značně benevolentní, některé specifické okrajové podmínky musejí být zohledněny. Kromě již zmíněné orientace komponent v 3D tiskárně musejí být zahrnuty specifické podpůrné struktury, v závislosti na směru výroby, aby byl dosažen speciální úhel. Tyto podpory jsou potřeba pro připevnění dílu během probíhajícího 3D tisku a také kvůli odvodu tepla od laseru. Tato výrobní omezení musejí být zohledněna především pro práškový aditivní proces.

Revoluční výsledky

Prototyp motocyklu Light Rider je názornou ukázkou cesty při využití symbiózy topologické optimalizace, inovativních materiálů a aditivní výroby, stejně tak jako simulací řízený návrhový proces, profitující z plné hmotnosti a výkonového potenciálu. Nejlépe to však mohou prezentovat tato čísla: Motocykl má celkovou hmotnost 35 kg, přičemž samotný rám váží pouhých 6 kg. S 4kW elektrickým motorem akceleruje motocykl z 0 na 45 km/h za pouhé 3 vteřiny.

„Cílem celého projektu Light Rider bylo vytvořit revoluční a lehkou konstrukci. Jen díky topologické optimalizaci, inovativním materiálům a pokrokům v 3D tisku se nám podařilo cíle dosáhnout,“ potvrzuje úspěch tohoto projektu Joachim Zettler.