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

Zur Entnahme der Halterung wird das Wasserstrahlschneiden eingesetzt, da dieses effiziente Verfahren die Entnahme aller Teile einer Charge in einem Fertigungsschritt erm├Âglicht. Die Grundplatte wird dann in das Teil integriert.

Effizienz und Massenproduktion

Um die Idee der Massenproduktion mit PMD vollst├Ąndig zu erfassen, w├Ąre es notwendig, alle relevanten Einflussfaktoren auf die Kosten sowohl f├╝r die traditionelle Massenproduktion als auch f├╝r das PMD-Verfahren zu erfassen. Dennoch ist es m├Âglich, einige Faktoren wie unten dargestellt abzusch├Ątzen.

Bewertung des Einflusses der Chargengr├Â├če auf Verbrauch und Kosten.┬á

Die Menge des verwendeten Pulvers ├Ąndert sich nicht mit der Losgr├Â├če, aber die Materialkosten sinken durch den Gro├čeinkauf. Bei Verwendung einer gro├čen Bauplattform kann die Anordnung der Teile weiter optimiert werden, um Material und Kosten zu sparen. Da die Grundplatte in das Teil integriert ist, hat dies einen erheblichen Einfluss auf die Menge an Ausschussmaterial. Der Verbrauch von Argon skaliert mit der Gr├Â├če des Volumens der Schutzkammer. Eine gr├Â├čere Chargengr├Â├če - die Kammer f├╝r eine 180-teilige Charge ist dreimal so gro├č wie f├╝r eine 9-teilige Charge - und eine optimierte Nutzung des Bauraums verringern daher den Argonverbrauch pro Teil. Das Einrichten der PMD-Maschine dauert etwa 2 Stunden, fast unabh├Ąngig von der Losgr├Â├če. Der Bau gro├čer Chargen verringert diesen Einfluss.

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).