Franke GmbH, amb seu en Aalen (Alemanya), desenvolupa i fabrica rodaments de filferro, una alternativa més lleugera als habituals «rodaments massissos». En col·laboració amb CADFEM, experts en simulació, i Rosswag, com a proveïdor de solucions per a la impressió 3D en metall, els especialistes en rodaments de Franke van portar la tecnologia als seus límits.
Des dels anys seixanta, la construcció lleugera ha estat un dels impulsors del desenvolupament dels rodaments de filferros. Des de fa alguns anys, Franke també confia en les estructures d’alumini impreses en 3D, ja que aquest model de fabricació permet estalviar material sense que la consistència es vegi afectada.
“El nostre principal repte és oferir solucions innovadores i específiques per al client”.
Arne Jankowski, manager tècnic de vendes en Franke GmbH.
Aquests rodaments s’utilitzen, per exemple, en el moviment de les antenes de satèl·lit per a telefonia i Internet enaviones. Aquests plats d’antena solen estar allotjats en la unitat de la cua de l’avió. Han de romandre constantment alineats amb el satèl·lit durant el vol per a permetre la transmissió de dades.
Al mateix temps, per descomptat, els rodaments han de ser el més lleugers possible per a minimitzar el consum de querosè de l’avió i,en concret, augmentar la càrrega útil. Per exemple, un quilogram de pes reduït en un avió d’ús comercial suposa un estalvi d’uns 2.000$ a l’any en costos de combustible i, de pas, una quantitat proporcional de CO₂.
Amb la finalitat d’explorar quins estalvis addicionals són possibles amb l’última tecnologíaFranke va treballar de la mà amb dos socis per a un projecte industrial. El primer d’ells, RosswagEngineering,especialista en impressió metàl·lica 3D, ha estat durant molt de temps el proveïdor de Franke per als rodaments lleugers fabricats en impressió 3D. El segon, CADFEM es especialista en simulació numèrica que, entre altres coses, ven eines de simulació d’alta gamma de ANSYS, i també ofereix els seus propis serveis d’enginyeria.
El punt de partida va ser una geometria subministrada per Franke del rodament utilitzat fins ara, que es construeix amb un cos basi fabricat convencionalment en alumini.
Hollaus va portar la geometria la geometria subministrada per Franke a AnsysWorkbench per a preparar-la per a la simulación.la definició dels rodaments de boles en les simulacions FEM és realment difícil, però Hollaus va poder secundar-se en l’extensió desenvolupada pel propi CADFEM.
El rodament d’extensió CADFEM dins de Ansys modifica automàticament el model perquè la simulació pugui proporcionar resultats òptims respecte al comportament de la rigidesa del rodament.
Les forces dels rodaments poden determinar-se ràpida i fàcilment amb els rodaments d’extensió CADFEM dins de Ansys.
Franke va proporcionar també les càrregues en el rodament. Es van calcular dos casos: En primer lloc, les càrregues reals de les operacions de vol i, en segon lloc, les càrregues significativament més elevades que estan incloses en la normativa d’homologació. A més, calia tenir en compte els moments de flexió en el rodament.
Una preparació fonamental per a l’optimització de la topologia és definir exactament el cas de càrrega.
Després de definir totes les càrregues i les zones de geometria invariable del rodament, es va iniciar l’optimització de la topologia. Un resultat interessant dels càlculs amb Ansys va ser que en una zona més gran del cos bàsic només es van produir tensions insignificants i el material en aquests punts va ser eliminat per l’optimització de la topologia.
En l’optimització de la topologia, s’eliminen les àrees (apareixen en blava en el gràfic) que no exerceixen un paper important en l’estabilitat.
Hollaus va importar la geometria optimitzada al sistema CAD SpaceClaim integrat en Ansys. Allí, la zona corresponent es va emplenar amb una estructura de gelosia, perquè així s’aconsegueix una major rigidesa amb un pes molt reduït.
Les estructures reticulars atorguen a les cavitats una estabilitat adicional.
Gràcies a l’optimització de la topologia, va ser possible reduir el pes del rodament imprès en 3D un 16% més en comparació amb l’homòleg fabricat de manera convencional, que ja estava molt optimitzat: un resultat molt bo.
Un segon àmbit important d’aplicació de la simulació és el propi procés d’impressió. En la impressió 3D de metalls mitjançant el procés de capes de pols, s’utilitzen raigs làser focalitzats per a introduir l’energia necessària per a fondre completament les partícules de pols metàl·lica en els llocs desitjats. Les ràpides taxes de refredament i els alts gradients de temperatura creen fortes tensions en la peça. Per a permetre la conducció de la calor durant el procés de fabricació en impressió 3D i absorbir les forces i tensions resultants, es necessiten “estructures de suport“. D’una banda, les estructures de suport són importants per a l’èxit del procés d’impressió, però, d’altra banda, també són factors de cost degut al material i al temps necessaris.
Hollaus aclareix que “en la simulació amb Ansys Additive Suite, treballem amb paràmetres de material que es van obtenir després de llargues sèries de proves. Per cert, alguns de les dades dels materials inclosos en el volum de subministrament de la Additive Suite van ser desenvolupats per Rosswag Engineering. Amb aquestes dades, aconseguim una representació molt precisa del que realment ocorre. Això es refereix, per exemple, a la formació del bany de fusió quan el raig làser incideix en la pols, o a la distribució de la calor mitjançant l’estratègia d’escaneig corresponent per a les capes individuals. Per a minimitzar la distorsió, no treballem en línia, com amb una impressora de filament de plàstic, sinó que el raig làser salta d’un costat a un altre sobre tota l’àrea d’impressió“.
Les deformacions dels components ja poden veure’s i avaluar-se abans de la impressió
“No obstant això, un raig làser aplica la calor al material de forma extremadament selectiva; al cap i a la fi, d’això es tracta, de poder imprimir detalls fins», continua Hollaus. «Per això, les peces impreses han de fixar-se en el seu lloc mitjançant estructures de suport perquè no es deformin o fins i tot es dobleguin cap amunt, on després xoquen amb el llavi de la vernissadora quan s’aplica la següent capa. D’altra banda, aquestes estructures han de ser retirades manualment i consumeixen material, per la qual cosa cal trobar un equilibri entre poca i massa estructura de suport. Per a això, es poden variar paràmetres de pressió com la velocitat i el temps d’exposició del làser, però també l’orientació del component en l’espai. És precisament aquest ajust òptim el que determinem amb la Additive Suite i així evitem qualsevol error d’impressió.”
Hollaus va treballar estretament amb Philipp Schwarz, enginyer de projectes de Rosswag, per a simular el procés d’impressió. Schwarz recorda la col·laboració:
“Cadascun de nosaltres va aportar la seva experiència. Per exemple, afegim material de manera selectiva a la geometria calculada per CADFEM en els punts en els quals era necessari el mecanitzat, com en el seient del rodament (caixera). També definim el posicionament en l’espai d’instal·lació i les estructures de suport. Després, el model global va tornar a CADFEM per a la simulació del procés de construcció.”
Amb la simulació del procés, es tenen en compte tots els components de la impressió 3D: materials, suports i panell de construcció.
Hollaus afegeix: “En la Additive Suite, vam poder calcular el procés de construcció capa per capa i així trobar els ajustos de fabricació òptims que permetessin produir les estructures dels rodaments de manera fiable, precisa i amb la menor quantitat de reajustaments possible, la qual cosa es va confirmar durant la impressió en Rosswag.”
El resultat? Un rodament molt més lleuger, però igual de robust
La simulació mostra per endavant l’aspecte que tindrà el component una vegada estigui acabat.
