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La Universidad de Mannheim recurre a la solución de AM de Eplus3D para el soporte de ruedas de aluminio

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Eplus3D proporciona soluciones de impresión 3D en metal para optimizar los coches de carreras para la Formula Student Electric

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1 Resumen

En las carreras, cada milisegundo cuenta para ser el primero en cruzar la línea de meta. Por ello, el equipo Delta Racing de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Mannheim optimiza cada año su coche de carreras para la Formula Student Electric. La mayor mejora del chasis de este año es el cambio de tecnología de producción a soportes de rueda de fabricación aditiva y las ventajas que conlleva. Los métodos de cálculo numérico más precisos, un diseño optimizado en cuanto a topología y producción, así como la impresión del componente de aluminio en la EP-M250Pro de Eplus3D, pueden lograr un ahorro de peso de más del 50% y, por tanto, un extraordinario aumento del rendimiento de todo el coche en comparación con el anterior componente fresado con CNC.

2 Prólogo

En las carreras, el peso del vehículo juega un papel decisivo en el rendimiento y el comportamiento de la conducción. El soporte de la rueda es el elemento central para absorber y transmitir las fuerzas. Con la ayuda de los procesos de fabricación aditiva, se han creado nuevas posibilidades de libertad de forma y diseño. El desarrollo se basa en análisis asistidos por ordenador. Para ello se utilizan herramientas como la optimización topológica de la estructura mediante el método de los elementos finitos (FEM). Estos programas informáticos analizan las cargas predominantes del componente y calculan una geometría optimizada del mismo. Esta información se incorpora al proceso de diseño. Esto permite comparar diferentes procesos de fabricación y evitar costosos cambios de piezas.

3 Casos de carga

Para calcular las fuerzas totales que se aplican sobre el componente al final, se determinan los diferentes casos de carga predominantes. Para ello, se tienen en cuenta todos los datos existentes del vehículo y se evalúan con la ayuda de un software de cálculo numérico. La base para ello es la literatura del campo de la tecnología de los coches de carreras. Se han analizado los siguientes casos de carga.

- Impacto vertical máximo

- Frenado extremo con compensación de cabeceo

- Aproximación extrema con compensación de cabeceo

- Curvas extremas (cálculo dinámico)

- Rueda interior de curvas

- Rueda exterior en curva

- Frenado en bache

- Frenado en marcha atrás

- Impacto de los límites de la vía

- Desviación hacia el tope de la vía

Figura 2 Esquema de las cargas [Fuente: Rennwagentechnik; Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme; Trzesniowski, Michael; ISBN 978-3-658-04919-5]

En el cálculo de las condiciones reales se incluyen todos los datos del vehículo, como la carga aerodinámica, el campo de funcionamiento de los neumáticos, la compensación cinemática del paso, etc. El estado de funcionamiento deseado es la adherencia con un ligero deslizamiento, ya que esto permite la máxima transmisión de fuerzas longitudinales y transversales.

4 Optimización de la topología

En el primer paso, se crea un modelo de espacio de trabajo considerando todas las condiciones de contorno geométricas y cinemáticas. En este caso, son importantes las superficies de montaje, los accesorios, así como las holguras funcionales de la cinemática del chasis. Para no restringir el algoritmo de optimización de antemano, se utilizan todas las libertades posibles. La geometría se divide ahora en áreas de diseño (rojo) y áreas de no diseño (gris). Las zonas de diseño están limitadas principalmente por los componentes periféricos. Las zonas no diseñadas son principalmente puntos de apoyo o de conexión. Esta división permite un mallado más fino de la geometría con respecto a las fuerzas determinadas, lo que da lugar a un resultado de simulación más rápido y preciso.

Figura 3: Modelo del espacio de trabajo del eje delantero

Se utiliza una aleación de aluminio de alta resistencia y resistente a la corrosión AlSi10Mg. Esta aleación tiene una muy buena relación resistencia-peso.

El modelo se ha mallado mediante elementos finitos. Se utilizan elementos tetraédricos con una función de fijación de segundo orden. Ahora se aplican los casos de carga con las fuerzas calculadas anteriormente. Utilizando los llamados elementos RBE-3, se puede elegir como punto de introducción de fuerzas la conexión entre la rueda y la calle. Estos elementos conectan varios nodos independientes con un nodo dependiente a través de una unión rígida y así emparejan sus grados de libertad. De este modo no se rigidiza la geometría innecesariamente. Además, se define la zona de contacto de las fijaciones atornilladas, lo que da lugar a un ajuste repetible de la zona de ajuste del dintel.

Figura 4 Diferentes puntos de vista del MEF [Izquierda: nodos articulados; Derecha: punto de elevación de la rueda]

En la figura 4, se examinan dos consideraciones diferentes:

- La aplicación de fuerzas a través de los nodos del tren de aterrizaje; [Figura 4: izquierda]

- La aplicación de fuerzas a través del punto de conexión de la rueda y la calle en las superficies de apoyo; [Figura 4: derecha]

El objetivo de la optimización de la topología es conseguir el rendimiento medio con una reducción de masa más definida. En última instancia, el software recibirá el nivel de restricción de llenado, que describe la relación entre la masa de salida y la masa objetivo en el volumen de diseño. El rendimiento medio se forma a partir de un total de 18 casos de carga y su respectiva importancia, así como un factor de seguridad. Con la ayuda del solucionador "OptiStruct" se calcula la solución óptima y se perfecciona a lo largo de varias iteraciones.

Figura 5: Distribución de la densidad de elementos en el eje delantero

A continuación, el diseñador debe volver a modelar las estructuras creadas. Para ello, se generan mallas poligonales alrededor de la geometría propuesta. Éstas son libremente personalizables a posteriori

Figura 6 Creación de las mallas

Figura 7 Remodelación del eje delantero y trasero

5 Prueba de resistencia

Se examina la resistencia del nuevo diseño con análisis de tensiones de todos los casos de carga. Para obtener una mejor visión general de todos los casos de carga, se considera el resultado de los resultados de tensión superpuestos, que superponen todos los valores máximos de los casos de carga.

Al evaluar los resultados de la simulación, se observa que apenas se producen tensiones elevadas en ninguna zona. Esto se debe a la optimización de la topología y al factor de seguridad utilizado.

En la zona de la conexión inferior del chasis del eje trasero y en la zona de contacto del soporte del eje delantero se producen singularidades en casos de carga aislados. Esto da lugar a unos pocos elementos en los bordes afilados con una mayor tensión. Sin embargo, para obtener un resultado significativo, las tensiones circundantes se consideran a una distancia suficiente de las singularidades.

Figura 8: Singularidad del soporte del eje delantero Ajuste de la caída

En un examen más detallado, las tensiones comparativas de Von Mieses de cada caso de carga están por debajo del límite de fluencia del material

Figura 9 Prueba de resistencia del eje delantero

Figura 10 Prueba de resistencia del eje trasero

6 Diseño para la fabricación

Con el fin de garantizar una producción sin problemas de los componentes, se llevan a cabo varias optimizaciones para asegurar la fabricabilidad del componente optimizado para la topología. Éstas se desarrollan en un proyecto junto con los participantes de Delta Racing e.V., el especialista en mecanizado Klaeger Präzision GmbH & Co. KG, así como con el equipo de consultores de Eplus3D.

Como primer prototipo rápido y como ejemplo para tocar y sentir y para debatir con todas las partes interesadas, se imprime en 3D un soporte de rueda hecho de PLA mediante el proceso FFF.

A continuación se define el orden de producción de los componentes: Las piezas se producen de forma aditiva en una impresora EP-M250Pro MPBF (Metal Powder Bed Fusion). A continuación, el componente y la plataforma de construcción se recuecen en un horno de vacío para reducir las tensiones en el interior de las piezas. Con la ayuda de una máquina de erosión por hilo, el componente se separa de la plataforma de construcción y se retiran las estructuras de soporte. A continuación, se chorrea la superficie y se mecanizan las zonas funcionales en una fresadora CNC de 5 ejes antes de realizar el control de calidad.

En la figura 11a se concede un permiso de mecanizado (en rojo) en varias zonas del modelo CAD.

Figura 11 Historia de la optimización del eje delantero

Las tensiones intrínsecas generadas a través del proceso aditivo deben eliminarse mediante el recocido de tensión de los componentes. Para mantener la deformación a través de dichas tensiones residuales lo más baja posible desde el principio, los ángulos de las varillas que conectan las superficies funcionales deben reducirse. Una vez verificado por la herramienta de simulación, los cambios pueden aplicarse al diseño (véase la figura 12).

La construcción en forma de varilla del componente y las pocas superficies de sujeción posibles favorecen las vibraciones durante el posprocesamiento de mecanizado, que dan lugar a marcas de vibración. Por lo tanto, como se puede ver en la Figura 11 y en la Figura 13 (azul). Estos cambios permiten fabricar todo el componente en un solo proceso de sujeción en una fresadora CNC de 5 ejes y cumplir así todas las tolerancias de forma y posición requeridas (véase la figura 14).

Figura 12: Cambio de ángulo del eje delantero

Figura 13 Superficies de sujeción posteriores al proceso

Figura 14: Post-procesamiento CNC

7 Perspectivas

Los portarruedas topológicamente optimizados representan otro hito en el desarrollo del coche de carreras de Delta Racing. En la pretemporada se instalaron los portarruedas fresados con CNC. Con el diseño biónico, se pudo aprovechar el potencial de la construcción ligera, y el peso del portarruedas del año anterior se redujo en un 50%. Así, los nuevos portarruedas pesan unos 550 gramos por pieza. Todas las masas alrededor de la rueda pertenecen a las masas no suspendidas, que actúan directamente sobre el vehículo y no son retrasadas por los muelles y amortiguadores. Las masas no suspendidas tienen, por tanto, un factor de 7 respecto a la masa total en movimiento. La drástica reducción de las masas no suspendidas hace, por tanto, que el comportamiento de conducción sea mucho más ágil y notablemente más manejable.

Figura 15: Montantes 2021