Konzept zur Massenproduktion von Automobilteilen mittels Plasma Metal Deposition
In der Automobilindustrie wird die additive Fertigung (AM) typischerweise dort eingesetzt, wo die Kosten pro Teil als Prototyping oder Hochleistungsteile weniger relevant sind.
Die Plasmametallabscheidung (PMD) ermöglicht die Herstellung großer Teile (> 1 m). Aufgrund der hohen Abscheiderate, Skalierbarkeit und geringen Investitionskosten kann es als kosteneffizientes Verfahren angesehen werden. Diese Studie präsentiert ein Konzept für die Massenproduktion (> 10.000 Teile / Jahr) additiv hergestellter Getriebehalterungen, um das Potenzial von PMD aufzuzeigen.
Um die Produktionseffizienz zu optimieren, werden verschiedene Konzepte bewertet, beispielsweise Hybridkomponenten, bei denen die Grundplatte als integraler Bestandteil der Halterung verwendet wird. Um die Sekundärbearbeitung zu minimieren, werden nur Funktionsflächen bearbeitet.
PMD verwendet einen Plasmabogen hoher Dichte als Wärmequelle, um das Grundmaterial und das Füllmetall zu schmelzen. Durch Injizieren von Pulver in den Fokus des Plasmas und durch Bewegen des Brenners auf bestimmten Wegen während des Prozesses wird die dreidimensionale, netznahe Formkomponente erzeugt. Verschiedene Verarbeitungsparameter werden untersucht. Um die Qualität des abgeschiedenen Materials und des Prozesses zu bewerten, wird ein Hochzyklus-Ermüdungstest durchgeführt.
In einem Batch-Prozess, bei dem viele Teile gleichzeitig hergestellt werden, funktioniert dies nicht mehr - ein 2,5-D-Prozess wird bevorzugt. Aus der ursprünglich gegossenen Getriebehalterung wird in einem ersten Schritt der Konstruktionsraum definiert . Schließlich wird das Design der Klammern für PMD abgeleitet und unter Verwendung einer topologischen Optimierung in Bezug auf die Einschränkungen des PMD-Prozesses bewertet. Ziel der Simulationen ist es, die Masse zu reduzieren, indem gleichzeitig die strukturelle Integrität des Teils erhalten bleibt. Dabei wird das Volumen als Auslegungsvariable und die Verformungsenergie als Zielfunktion definiert. Die Ergebnisse der FEM-Analyse zeigten, dass die Masse im Vergleich zum gegossenen Design um 1/3 reduziert werden kann, während eine ähnliche Steifheit vorliegt. Um das ursprüngliche Bracket-Design mit dem PMD-Design zu vergleichen, wird die maximale Verschiebung mit der Masse der Brackets skaliert, wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht.
Die Halterungen sind auf einer Grundplatte angeordnet. Für diesen Anwendungsfall wird eine Charge von 9 Klammern gleichzeitig hergestellt, aber mit der vorhandenen PMD-Maschine mit einer Bauplattform von 2 x 1,5 m ist eine Chargengröße von> 160 möglich, wenn eine größere Argonbox implementiert würde.
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Bracket casting |
Bracket PMD |
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Max. displacement [mm] |
0,12 |
0,15 |
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Volume [mm³] |
194199 |
127828 |
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Mass [g] |
1505 |
997 |
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Factor_max [mm*g] |
173 |
153 |
Table: Results of FEM design optimisation
To extract the bracket water jet cutting is used, since this efficient process allows to extract all parts of one batch in one manufacturing step. The base plate is then integrated in the part.
Efficiency and mass production
To fully access the idea of mass production with PMD, it would be necessary to capture all relevant influencing factors regarding the costs for both traditional mass production as well as the PMD process. Nevertheless, it is possible to estimate some factors as shown below.
The amount of powder used does not change with the batch size, but the material costs are decreasing through bulk purchasing. If using a large building platform, the arrangement of the parts can be further optimised to save material and costs. Since the base plate is integrated in the part, this has a significant influence on the amount of scrap material. The consumption of argon scales with the size of the volume of the protection chamber. Therefore, a larger batch size - the chamber for a 180-part batch is 3 times larger than for a 9-part batch and optimised use of the building space reduces the Ar consumption per part. Setting up the PMD machine needs roughly 2 hours, almost independent from batch size. Building large batches reduces this influence.
published @EUROPM2020 conference, RHP-Technology GmbH, John Meuthen et al.
The authors thank the European Commission for financial support through H2020 grant agreement n°768612 (SUPREME project within SPIRE program).