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) erm├Âglicht die Herstellung gro├čer Teile (> 1 m). Aufgrund der hohen Abscheiderate, Skalierbarkeit und geringen Investitionskosten kann es als kosteneffizientes Verfahren angesehen werden. Diese Studie pr├Ąsentiert ein Konzept f├╝r 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 Sekund├Ąrbearbeitung zu minimieren, werden nur Funktionsfl├Ąchen bearbeitet.

PMD verwendet einen Plasmabogen hoher Dichte als W├Ąrmequelle, um das Grundmaterial und das F├╝llmetall zu schmelzen. Durch Injizieren von Pulver in den Fokus des Plasmas und durch Bewegen des Brenners auf bestimmten Wegen w├Ąhrend des Prozesses wird die dreidimensionale, netznahe Formkomponente erzeugt. Verschiedene Verarbeitungsparameter werden untersucht. Um die Qualit├Ąt des abgeschiedenen Materials und des Prozesses zu bewerten, wird ein Hochzyklus-Erm├╝dungstest durchgef├╝hrt.

In einem Batch-Prozess, bei dem viele Teile gleichzeitig hergestellt werden, funktioniert dies nicht mehr - ein 2,5-D-Prozess wird bevorzugt. Aus der urspr├╝nglich gegossenen Getriebehalterung wird in einem ersten Schritt der Konstruktionsraum definiert . Schlie├člich wird das Design der Klammern f├╝r PMD abgeleitet und unter Verwendung einer topologischen Optimierung in Bezug auf die Einschr├Ąnkungen des PMD-Prozesses bewertet. Ziel der Simulationen ist es, die Masse zu reduzieren, indem gleichzeitig die strukturelle Integrit├Ąt 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, w├Ąhrend eine ├Ąhnliche Steifheit vorliegt. Um das urspr├╝ngliche 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. F├╝r 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 Chargengr├Â├če von> 160 m├Âglich, wenn eine gr├Â├čere Argonbox implementiert w├╝rde.

Bracket casting

Bracket PMD

Max. displacement [mm]

0,12

0,15

Volume [mm┬│]

194199

127828

Mass [g]

1505

997

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.

Assessment of the influence of batch size on consumption and costs.

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).