Onlangs hebben ingenieurs van UltimakerCovestro en de Koninklijke Marine kwamen samen om de vraag te beantwoorden:Hoe sterk zijn 3D-geprinte onderdelen?” Blijkt dat een plastic 3D-geprint onderdeel een tank van 12 ton kan optillen.
Gewoonlijk meten ingenieurs de sterkte van een materiaal met behulp van een trekbank. Over het algemeen wordt een kleine proefafdruk gemaakt en onder grote kracht getest totdat deze knapt. De kracht die wordt geprojecteerd op het deel gedeeld door het oppervlak van de centrale kruising op het moment van breken, zal zijn kracht onthullen.
Hoewel dit logisch is voor ingenieurs, komt het vaak niet zo goed over op anderen die misschien iets moeten zien om te begrijpen hoe het werkt. Daarom besloten ze een voorbeeld te laten zien van hoe sterk een 3D-geprint plastic onderdeel zou kunnen zijn door iets heel zwaars tillen: een tank.
Dat is nog eens een leuk experiment!
Hoe ze het eerste prototypeontwerp hebben gemaakt
Om een zwaar voertuig zoals een tank van 12 ton op te tillen met een 3D-geprint onderdeel, moet je eerst de beschikbare hardware analyseren.
De Koninklijke Nederlandse Marine heeft een hijstank die twee te openen stalen ringen gebruikt om verbinding te maken met hun kraan en met de kabels die zijn vastgemaakt aan het voertuig dat ze wilden hijsen. Een langwerpige O-vormige schakel zou de perfecte oplossing zijn om deze twee metalen ringen te kunnen verbinden en het zware voertuig op te tillen.
Nadat het ontwerp van de stalen ringen in CAD-software was geïmporteerd, kon Ultimaker Application Engineer Lars de Jongh het eerste eerste ontwerp maken voor de koppeling die ze nodig hadden. Lars moest aan de slag met de ontwerpeisen.
Allereerst moest de link een vlakke kant hebben voor een stabiele 3D-print en moest deze worden geprint met de laaglijnen in dezelfde richting als de krachten die op het onderdeel worden geprojecteerd. Bovendien moesten het 3D-geprinte onderdeel en het interactieoppervlak van de metalen ringen zo groot mogelijk zijn om de krachten gelijkmatig te verdelen.
De Ultimaker Marketplace heeft honderden materialen om uit te kiezen voor allerlei verschillende behoeften. Elk van hen heeft een unieke combinatie van verschillende eigenschappen, waardoor het zeer waarschijnlijk is dat uw onderdeel zal voldoen aan de gestelde eisen waarmee u probeert te werken.
Het materiaal dat nodig was voor deze test moest oersterk zijn, maar moest ook korte piekkrachten kunnen opvangen. Ze besloten om de Addigy® F1030 CF10 van Covestro te gebruiken, een op nylon gebaseerd polymeer geladen met koolstofvezel en kan worden bedrukt op de Ultimaker S5 met de CC printcore.
Simulaties gebruiken om het ontwerp te optimaliseren
Het kost veel minder tijd om een solide link van 2 kilogram in 3D te printen dan om deze met traditionele methoden te produceren. Het aantal iteraties dat nodig was om de juiste geometrie te valideren, betekende echter dat tijd nog steeds een factor was. Daarom besloten ze dat het ontwerp geoptimaliseerd moest worden voordat het geprint kon worden door middel van computersimulaties
Covestro werkte aan dit project om de krachten op het ontwerp digitaal toe te passen met behulp van software die de exacte fysieke eigenschappen van het koolstofvezel-nylonmateriaal kent. Door simulaties uit te voeren, konden ze identificeren waar het ontwerp moest worden aangepast en waar materiaal kon worden verwijderd. Hierdoor ontstond een geoptimaliseerd ontwerp dat meer gewicht kon tillen, terwijl er minder materiaal nodig was, wat resulteerde in een snellere productietijd met minder kosten.
De simulatie verifiëren
Voordat ze een zwaar voertuig, zoals een tank van 12 ton, konden optillen, moesten ze de berekende sterkte van het geprinte onderdeel fysiek testen om er zeker van te zijn dat het zou werken. Ze creëerden twee verschillende ontwerpen met twee verschillende maten. Het eerste ontwerp was een schakel van 1 kilogram die naar schatting 12 ton kon weerstaan. De tweede, die ongeveer 2 kilogram woog, zou naar schatting 38 ton kunnen weerstaan.
De Koninklijke Marine beschikt over een industriële trekbank ter plaatse die tot maar liefst 343 kilonewton aan kracht op een object kan projecteren. In dit experiment zijn zowel de initiële als de geoptimaliseerde ontwerpen getest voor de grote en kleine versies.
Het geoptimaliseerde ontwerp was in staat om een hogere kracht te weerstaan terwijl het een derde minder woog. Het verschil tussen de geteste resultaten en de gesimuleerde cijfers was ook extreem klein, gemiddeld slechts 1%. Dit maakte deze workflow nauwkeurig en winstgevend in time-to-market en verbeterde prestaties.
Twee verschillende voertuigen optillen met 3D-geprinte plastic onde
Na enkele maanden van ontwerpen, printen, testen en plannen, was het tijd om deze 3D-geprinte onderdelen eindelijk in de echte wereld te testen door militaire voertuigen op te tillen. De onderdelen werden naar de Nederlandse legerbasis in het zuiden van Nederland gebracht waar de 13e Light Rhino Brigade assisteerde bij het testen met hun gepantserde bergingsvoertuig. Hun Leopard 2 “Buffalo” heeft een kraan aan de voorkant en is ontworpen om zware voertuigen zoals vrachtwagens en gevechtstanks te bergen.
Eerst werd de link van 1 kilo gebruikt om een militaire versie van een Mercedes-jeep op te tillen. Dit voertuig weegt meer dan 2 ton. Ze hadden er geen probleem mee om het op te tillen met de link en het was gemakkelijk op te tillen.
Vervolgens werd de 2 kilo massieve, met koolstofvezel versterkte nylon schakel tussen het M113-pantservoertuig en de Buffalo-kraan geplaatst. De metalen ringen werden op hun plaats gespannen en vier kabels werden vanaf de onderste haak aan het voertuig vastgemaakt. De kraan begon langzaam omhoog te bewegen, waardoor de kabels en het 3D-geprinte onderdeel onder extreme spanning kwamen te staan. De tank van 12 ton begon langzaam omhoog te komen en zweefde boven de grond, hangend aan een 3D-geprinte schakel! De Buffalo reed rond, achteruit, vooruit en zelfs ronddraaiend, en de 3D-geprinte link hield perfect stand.
Wat ze van deze test hebben geleerd
Het project was een groot succes, niet alleen omdat het een sterk 3D-geprint onderdeel produceerde dat militaire voertuigen kon optillen, maar het was belangrijk om te zien dat CAD-simulaties een lange weg hebben afgelegd, niet alleen het simuleren van een vorm, maar het geven van nauwkeurige voorspellingen op basis van materiaal, en zelfs vezelrichting in aanmerking. Het kunnen vertrouwen op dergelijke tools is een groot voordeel voor zowel ingenieurs als het leger in het algemeen.
Hoewel alle onderdelen werden geprint in goed onderhouden kamers en de materialen niet werden blootgesteld aan vocht, was er nog steeds een merkbaar verschil tussen versies die in een droog magazijn werden geprint en onderdelen die werden geprint met opzettelijk gedroogde filamentspoelen in een verwarmde, droge printkamer. Nylon neemt vocht op en dit kan zwakkere afdrukken tot gevolg hebben. Daarom is het erg belangrijk om de eigenschappen van materialen te kennen en dienovereenkomstig te behandelen.
Als u op zoek bent naar specifieke materialen voor projecten waaraan u werkt, alstublieft bezoek onze winkel waar je materialen kunt zoeken op basis van sterkte, hittebestendigheid, slagvastheid, flexibiliteit, voedselveiligheid en nog veel meer.
U kunt meerdere filters selecteren om uw zoekopdracht verder te verfijnen. U kunt ook het zoekvak bovenaan de site gebruiken om specifiek materiaal te vinden.
Als u vragen heeft over 3D-printmaterialen of welke 3D-printers het beste zal zijn voor uw behoeften, neem dan gerust contact met ons op via info@3duniverse.org!
