Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik

3D-Druck für das Prototyping von Spezialkomponenten in der Automobilindustrie

Nicola Corsetto

Die Entwicklung innovativer Techniken in der Industrie 4.0 hat die Entwicklung neuer Materialien für den 3D-Druck geprägt und definiert, die völlig neue Eigenschaften aufweisen, genauer gesagt neue „Materialmuster“. Eines davon ist definitiv TPU (thermoplastisches Polyurethan), der Protagonist einer Anwendung für die folgende Forschung im Bereich innovativer additiver Fertigung. Dieses Polymer hat viele Vorteile, wie z. B. eine hohe Schlag-, Verschleiß-, Abrieb- und Schnittfestigkeit; außerdem verfügt es über eine ziemlich fortschrittliche Schichthaftung, die eine ausgezeichnete mechanische Homogenität auf der Ebene der hergestellten Teile ermöglicht und sie isotrop macht. Die vorgeschlagene Fallstudie zeigte die Ergebnisse im Zusammenhang mit der Lösung der Probleme, die durch die Überhitzung von Videogeräten verursacht werden, die für Testaufzeichnungen und Tests von Rennfahrzeugen verwendet werden, und entwarf eine innovative Lösung, die immer verwendet werden kann, während jede Art von elektrifizierter Technologie vermieden wird, um eine Erhöhung der Ausfälle und des Gewichts der Geräte zu vermeiden. Besonderes Augenmerk wurde auf die Einhaltung der thermischen Belastungen gelegt, um das Bauteil auf ein hohes Maß an Widerstandsfähigkeit gegen die hohen Temperaturen zu bringen, die im Sommer in den Cockpits entstehen, die von den Windschutzscheiben der Sonne ausgesetzt sind. Wichtig war die Verwendung kostengünstiger und leistungsfähiger 3D-Drucker für den Heimgebrauch mit technischen Materialien, die mittlerweile auch zu relativ niedrigen Preisen erhältlich sind. Die für die folgende Untersuchung verwendeten Werkzeuge stellen kostengünstige Optionen dar, um das Design auf ein neues Herausforderungsniveau zu heben und den 3D-Druck zu einem für jedermann nutzbaren Werkzeug zu machen, um Elemente, die nicht in Massenproduktion hergestellt werden können, korrekt zu reproduzieren. Die Werkzeuge sind: Smartphones mit hochauflösenden Kameras, fluiddynamische mechanische Komponenten, 3D-Drucker für den Heimgebrauch, TPU-Materialspulen und Computer mit Photogrammetrie- und 3D-Modellierungssoftware. Das verwendete Verfahren umfasste die Identifizierung eines ersten Schritts, und zwar die Vermessung und dreidimensionale Abtastung des Kühlgitters des für diesen Test verwendeten Autos (Rennwagen Lamborghini Huracan) mit einfachen Photogrammetrietechniken, die aufgrund der einfachen Form des betreffenden Modells möglich waren. Die Phase der digitalen Vermessung mittels Photogrammetrie begann mit der Aufnahme von Fotos mit verschiedenen Aufnahmen des Armaturenbretts des Autos, die dann auf ein digitales Medium übertragen wurden, das mithilfe einer Software ein klar definiertes Bild des Kühlgitters verarbeitete, das dann mit den verschiedenen zuvor erkannten Mustern auf die volle Größe gebracht wurde, um eine korrekte Interpretation aller für das Design erforderlichen Messungen zu ermöglichen. Das Verfahren wurde dann durch die Verwendung bereits auf dem Markt erhältlicher Komponenten definiert, wobei ein wasserdichtes modulares Fluiddynamikrohr und universelle modulare Verbindungen aus für thermische Belastungen geeigneten Materialien ausgewählt wurden, wobei sorgfältige Positionierungsstudien durchgeführt wurden, um den geeigneten Ort für die Platzierung der erstgenannten Komponenten zu ermitteln.Die Identifizierung eines geeigneten Dimensionsrahmens ermöglichte die korrekte mathematische Konstruktion eines Geräts, das für die beste konvektive Optimierung des Luftstroms aus der Innenraumklimaanlage geeignet ist. Das gewünschte Ziel bestand darin, die Fahrzeugkühlung zu nutzen, um die an der Windschutzscheibe angebrachte Kamera zu kühlen, und zwar mit einem Element, das deutlich leichter und aus einem einzigen Material besteht, keine elektrischen oder sonstigen Ausfälle erleidet und dennoch den hohen Temperaturen der Rennstrecken im Sommer standhält. Die nächsten Schritte waren die dreidimensionale Modellierung der Komponente direkt auf dem in einer digitalen Umgebung erkannten Gitterelement mithilfe von Software wie Rhinoceros 3D, wobei alle Arten von Kriterien beachtet wurden, die für den korrekten Druck des betreffenden Materials erforderlich sind. Tatsächlich erfordert das TPU Mindestdicken, um dem Modell die richtige Flexibilität zu verleihen und einen korrekten luftdichten Verschluss zu erreichen, sobald es auf das Gitter passt. Immer unter Verwendung einer 3D-Modellierungssoftware war es möglich, das Bauteil in einer virtuellen Umgebung zu platzieren, um geometrische und stilistische Überprüfungen vorzunehmen und einen sorgfältigen Vergleich mit verschiedenen Fahrern und Technikern im Automobilbereich durchzuführen, um das richtige ästhetische und funktionale Bauteil auszuwählen. Dazu wurden verschiedene physische Tests der gedruckten Modelle mit Testmaterial durchgeführt, um die Probleme im Zusammenhang mit der Anwendung des Produkts im Fahrzeuginnenraum physisch zu verstehen. Der entscheidende Schritt bestand definitiv darin, das Gleichgewicht zwischen stilistischer Form und korrekt entworfenen Geometrien für einen sauberen und zeitoptimierten Druck ohne die Hilfe von freitragenden Schichtstützen zu wahren. Dies wurde durch ein sorgfältiges „stufenweises“ Design ermöglicht, indem der flache Teil des Prototyps direkt auf die Druckplatte gelegt wurde. Auf diese Weise wurde eine Modellkonstruktion mit zunehmenden Silhouetten erreicht, die durch eine sorgfältige Verwaltung der gesamten Druckphase und die richtige Handhabung der unterschiedlichen Temperaturen während des Druckvorgangs während des Druckens verschiedener Stunden erreicht wurde. Es wurden verschiedene Tests durchgeführt, um sowohl das Verhalten des Materials als auch die Morphologie des entworfenen Modells zu untersuchen, um verschiedene Tests durchzuführen und seine Eigenschaften zu verfeinern. Dabei wurden verschiedene Arten von 3D-TPU-Druckmaterial verwendet, um das unterschiedliche Verhalten verschiedener Probentypen sorgfältig zu untersuchen. Das Ergebnis wurde durch die Validierung eines endgültig definierten physischen Produkts erzielt, das ohne die Notwendigkeit hergestellt wurde, Verbindungssysteme durch Kleben und/oder Gewindeverbindungen zu erstellen. Die verwendete Methodik beinhaltete tatsächlich das Vermeiden von Klebstoffen bei Komponenten, um die beste Produktleistung zu erzielen, d. h. die Kühlung der Kameras an verschiedenen Positionen des Cockpits zu optimieren, ohne das teure und technologische Armaturenbrett des Autos zu beschädigen, und das entworfene Bauteil vollständig entfernbar zu machen, ohne Spuren der Befestigung auf der komprimierten Kohlenstoffoberfläche zu hinterlassen.Diese Aktivität hat den Wert der oben genannten Technologien bestätigt. Durch den richtigen Technologietransfer wurden sie leistungsfähiger gemacht, um die Leistung von Produkten und Komponenten bei allen Design- und Fertigungsanforderungen maximieren zu können. Außerdem konnten spezielle Prototyping-Aktivitäten durchgeführt werden, die bisher aufgrund der hohen Kosten für den Betrieb von 3D-Druckern und die Versorgung mit industriellen Materialien undenkbar waren.