3i-PRINT project demonstreert mogelijkheden van simulatiesoftware en additieve productie

Een groep bedrijven heeft tijdens het 3i-PRINT project een voorframe ontwikkeld voor een Volkswagen Caddy youngtimer. Het metalen voorframe is met behulp van simulatiesoftware ontwikkeld en geprint met behulp van een 3D-printer. Het eindresultaat is niet alleen lichter en steviger dan het origineel, maar bevat ook functionaliteiten voor het koelen van de motor. Theo Verbruggen, Senior Sales Director bij Altair, legt uit hoe dit simulatiegebaseerde ontwikkelproces in zijn werk is gegaan en welke voordelen dit biedt.

Het project in een initiatief van het Duitse csi entwicklungstechnik, een bedrijf dat zich richt het optimaliseren van ontwerpen. Daarnaast zijn ook APWORKS, Altair, Heraeus en GERG bij het project betrokken. De onderdelen van het frame zijn ontworpen en gesimuleerd met behulp van software van Altair. APWORKS heeft de onderdelen vervolgens met behulp van een EOS M 400 Powder Bed Fusion-printer geprint in het door APWORKS op maat ontwikkelde materiaal Scalmalloy, een legering van aluminium, magnesium en scandium. Het materiaal is geleverd door Heraeus. GERG was verantwoordelijk voor de assemblage van de geprinte onderdelen. 

Mogelijkheden inzichtelijk maken

Met het 3i-PRINT project willen de betrokken partijen de mogelijkheden van zowel simulaties als industrieel 3D-printen voor de automotive-industrie inzichtelijk maken. “Het 3i-PRINT project is een project waarin wij samen met een aantal partners demonstreren welke mogelijkheden de huidige stand van de technologie biedt. Het project richt zich op zowel het geïntegreerd ontwerpen, simuleren als 3D-printen van producten en ontwerp van materialen die hiervoor gebruikt kunnen worden”, legt Theo Verbruggen, Sales Director Benelux bij Altair, uit. “Het project demonstreert hoe met behulp van ontwerp- en simulatiesoftware en 3D-printers binnen negen maanden van een idee tot een volledig functioneel prototype kan worden gekomen.”

“Het voorframe dat binnen het project is ontwikkeld is niet alleen lichter en sterker dan het origineel, maar bevat ook verschillende geïntegreerde functionaliteiten waarvoor doorgaans andere auto-onderdelen worden gebruikt. Zo bevat het frame holle structuren waardoor de koelvloeistof van het voertuig stroomt. Deze holle ruimtes bevatten onder meer geoptimaliseerde verstevigingsribben, interne ‚lattice’ structuren en uitwendige koelvinnen om de overtollige warmte van de motor af te kunnen voeren. Het ontwerp maakt hierdoor de aanwezigheid van een radiatorsysteem inclusief ventilator, aan- en afvoerleidingen en waterpomp overbodig”, aldus Verbruggen. “In het frame zijn ook reservoirs geïntegreerd voor onder meer rem-, ruitenwisser- en stuurbekrachtigingsvloeistof.” 

Ruimte- en gewichtsbesparing

Verbruggen wijst erop dat een dergelijk geïntegreerd ontwerp niet alleen ruimte uitspaart onder de motorkap, maar ook een gewichtsbesparing oplevert. “Doordat verschillende functionaliteiten in het frame zijn geïntegreerd zijn allerlei andere systemen overbodig geworden. Dit maakt het moeilijk om aan te geven welke gewichtsbesparing het ontwerp precies oplevert. Het nieuwe voorframe moet immers niet alleen met een traditioneel voorframe worden vergeleken, maar ook met alle andere systemen die het vervangt.” Verbruggen spreekt van een ‘significante gewichtsbesparing’. 

Simulatiesoftware heeft bij het ontwerp van het voorframe een belangrijke rol gespeeld. “Het voorframe is ontwikkeld met behulp van de HyperWorks software van Altair. Deze software bevat een scala aan ontwerp- en simulatietools, waaronder software voor het analyseren en optimaliseren van de sterkte, gewicht, duurzaamheid, productie van zowel geluid als trillingen en reactie op schokken. Daarnaast maakt de software het mogelijk dynamische belasting op een onderdeel te simuleren om het gedrag van een voorframe gedurende onder meer een crash te testen”, aldus Verbruggen. “Computational fluid dynamics (CFD) is gebruikt om lucht- en vloeistofstromen in het frame te simuleren, wat een belangrijke rol heeft gespeeld bij het ontwerpen van onder andere het geïntegreerde koelsysteem in het frame.”

In negen maanden van idee naar prototype

“Het is vaak een uitdaging de resultaten van verschillende simulaties te combineren tot een eindproduct dat alle gewenste eigenschappen bevat. Zodra je immers op basis van de uitkomsten van een simulatie wijzigingen aanbrengt in een ontwerp, heeft dit impact op de prestaties van het ontwerp in andere simulaties. Om dit proces te stroomlijnen heeft Altair zijn simulatietools in één softwaresuite geïntegreerd. Dit maakt het mogelijk een ontwerp sneller te optimaliseren en de impact van wijzigingen in het ontwerp beter te overzien. Deze integratie heeft geholpen in negen maanden van idee tot prototype te komen.”

Het frame is geproduceerd met behulp van een 3D-printer. “We hadden ook voor een andere productietechnologie als casting kunnen kiezen, maar dit zou in verhouding met 3D-printen enkele belangrijke beperkingen hebben opgeleverd. Zo konden we dankzij het gebruik van additieve productie interne structuren produceren die een gewichtsbesparing opleveren. Deze gewichtsbesparing is te danken aan het gebruik van ‘lattice’ structuren om het frame op sommige plekken extra stevigheid te geven, wat het mogelijk maakt dunnere wanden en daarmee een lichter eindproduct te ontwikkelen. Dit soort details hadden wij niet kunnen creëren met behulp van een andere productietechnologie.”

Prototype snel in handen 

Additieve productie is overigens een relatief dure productietechnologie en daardoor niet in alle gevallen geschikt voor massaproductie. “Het is ook mogelijk een prototype te ontwikkelen en optimaliseren voor een bepaalde productietechnologie, en dit prototype vervolgens te 3D-printen. Dit biedt als voordeel dat het prototype snel en op locatie kan worden geproduceerd, waardoor het ontwikkelteam het prototype sneller in handen krijgt en sneller fysiek kan testen. Op deze wijze kan een tijdsbesparing worden gerealiseerd en het eindproduct in kortere tijd worden ontwikkeld.” 

Het project toont ook een andere interessante mogelijkheid van 3D-printen: het op maat ontwerpen van materialen voor specifieke toepassingen. “Het ontwikkelen en optimaliseren van materialen voor specifieke toepassingen is een nieuwe tak van sport die mogelijk wordt gemaakt door 3D-printen”,legt Verbruggen uit. “Het voorframe dat binnen het 3i-PRINT project is ontwikkeld is geprint in Scalmalloy, een materiaal dat door APWORKS op maat is ontwikkeld voor het voorframe. Het materiaal bestaat uit een combinatie van aluminium, magnesium en scandium en is geoptimaliseerd om bepaalde eigenschappen te realiseren, waaronder gewicht, sterkte en flexibiliteit. Scalmalloy komt wat betreft sterkte en stijfheid in de buurt van titanium, terwijl het materiaal wat betreft gewicht richting aluminium gaat. Bij andere productietechnologieën ben je doorgaans beperkt tot de materialen die hiervoor beschikbaar zijn en is het niet mogelijk een materiaal te ontwikkelen dat voor een specifieke toepassing is geoptimaliseerd.”

Meer informatie over het 3i-PRINT project is te vinden op de website van het project. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: Altair
Bron: 3i-PRINT project
Bron foto: csi entwicklungstechnik