3D-печать металлом в НИОКР: как создавался самый легкий в мире шкив для велосипеда

Велосипедный спорт предъявляет такие же требования к облегчению массы, как и весь транспортный сектор в целом, а такие гонки, как Тур де Франс, протяженностью 3460 км, ставят перед специалистами уникальные инженерные задачи по оптимизации веса при сохранении устойчивости на протяжении всего заезда. В сотрудничестве с экспертами в области селективного лазерного плавления Датского технологического института (DTI) новаторская компания в области велоспорта CeramicSpeed разработала легкий и долговечный шкив, позволяющий профессиональным велогонщикам улучшить свои показатели.

Мировой велорынок развивается за счет инноваций. Стремясь быть в авангарде отрасли, CeramicSpeed совместно с DTI совершила революционный прорыв в мире профессионального велоспорта, выпустив керамические подшипники. Благодаря аддитивным установкам печати металлами SLM 500 (с четырьмя лазерами) и SLM 280 (с двумя лазерами) институт уже много лет успешно применяет селективное лазерное плавление, будучи идеальным партнером по оптимизации разработки.

Результатом сотрудничества стало самое легкое зубчатое колесо в мире, так называемый титановый шкив, разработанный двумя партнерами совместно с профессиональными гонщиками, испытавшими новое решение в условиях гонок Тур де Франс.

Фото: Dansk Teknologisk Institut / dti.dk 

Характеристики детали

• Название: приводной шкив
• Сфера применения: велоспорт
• Материал: титан
• Толщина слоя: 60 микрон
• Время изготовления: 21,5 ч (полная загрузка, 120 элементов)
• Оборудование: 3D-принтер SLM 500

Что дала оптимизация конструкции и печать по SLM-технологии

1. Повышение качества: срок службы увеличен в 3-5 раз.
2. Значительное снижение веса за счет полой формы изделия.
3. Оптимизация процесса: серийное производство, несмотря на сложность конструкции.

Высокая производительность за счет аддитивного производства

Шкивы, изготовленные из титана, оснащены 17 спицами, каждая диаметром 2 мм с толщиной стенки всего 0,4 мм. За счет полой конструкции удалось снизить общий вес звездочки до 8,4 грамма. Общее энергосбережение в системе достигает 30-60%, а в некоторых случаях и больше, по сравнению со стандартной конфигурацией. Срок службы оптимизированных шкивов в 3–5 раз выше, чем у стандартных шкивов, представленных на рынке. 

Тор Брамсен (Thor Bramsen), директор по индустриализации Датского технологического института, с энтузиазмом рассматривает возможности технологии SLM: «Полую геометрию объектов невозможно реализовать обычными методами, а 3D-печать в сочетании с последующими специализированными процессами позволяет получить уникальный инновационный продукт». Несмотря на сложную геометрию, DTI может стабильно изготавливать детали одинакового качества в рамках серийного производства.

«Технология 3D-печати дала нам большую свободу действий для творческих экспериментов в проектировании и, в то же время, возможность оптимизировать функции изделия, – говорит Карстен Эббесен (Carsten Ebbesen), директор по НИОКР CeramicSpeed. – Сотрудничество с DTI позволило нам разрабатывать и производить зубчатые колеса совершенно новой конструкции, которую можно реализовать только благодаря 3D- печати».

Зубчатые колеса, изготовленные по SLM-технологии, также прошли строгие испытания. Шкивы устанавливаются на внешние шестерни механизма переключения передач и проходят испытание на износ. Отдел НИОКР CeramicSpeed проверил износ напечатанных титановых деталей, которые оказались более долговечными и устойчивыми к коррозии и обеспечивали более высокую прочность при более низкой плотности, чем традиционные алюминиевые детали.

Чтобы организовать серийное аддитивное производство изделий высокого качества, необходимо согласовать весь технологический процесс. Сюда входит выбор надежного оборудования для аддитивного производства, однако процесс начинается с пересмотра конструкции компонентов для аддитивного процесса. Специалисты DTI использовали принципы проектирования для аддитивного производства (DfAM), чтобы оптимизировать оригинальный проект изделия от CeramicSpeed для серийного производства на основе технологии селективного лазерного плавления. При этом требовался аккуратный подход, чтобы сохранить оригинальную конструкцию заказчика, добавить материал для поверхностей, требующих обработки на станке с ЧПУ после печати, оптимизировать поддержки и свести к минимуму толщину стенок и вес.

За успешным производством следуют столь же сложные и не менее важные этапы постобработки, на которых специалисты DTI применяют весь свой производственный опыт, гарантируя, что при доставке готового изделия потребуется только сборка.

Первые керамические подшипники от CeramicSpeed были представлены на Тур де Франс менее 20 лет назад. Инновационное проектирование, обеспечиваемое SLM-технологией, и сотрудничество с экспертами Датского технологического института помогают компании расширять границы технологий в области велоспорта и устанавливать новые стандарты, так как гонщики тестируют последние достижения во время тренировок, чтобы представить новые разработки на будущих соревнованиях.

Результаты внедрения SLM-технологии

В сотрудничестве с экспертами в области селективного лазерного плавления Датского технологического института (DTI) новаторская компания в области велоспорта CeramicSpeed разработала легкий и долговечный шкив, позволяющий профессиональным велогонщикам улучшить свои показатели.

• За счет полой конструкции снижается вес звездочки.
• Титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, при более низкой плотности оказались более долговечными и прочными, а также более устойчивыми к коррозии, чем традиционные алюминиевые детали.
• Несмотря на сложную геометрию шкивов, селективное лазерное плавление позволяет изготавливать их серийно с высоким повторяемым качеством.

Материал предоставлен компанией SLM Solutions