{{{sourceTextContent.title}}}

L'université de Mannheim se tourne vers la solution AM d'Eplus3D pour un porte-roue en aluminium

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Eplus3D fournit des solutions d'impression 3D métal pour optimiser les voitures de course de la Formule Student électrique

{{{sourceTextContent.description}}}

1 Résumé

En course automobile, chaque milliseconde compte pour être le premier à franchir la ligne d'arrivée. L'équipe Delta Racing de l'université des sciences appliquées de Mannheim optimise donc chaque année sa voiture de course pour la Formula Student Electric. La plus grande amélioration du châssis cette année est le passage à la technologie de production des supports de roue fabriqués de manière additive et les avantages qui en découlent. Les méthodes de calcul numérique les plus précises, une conception optimisée en termes de topologie et de production, ainsi que l'impression du composant en aluminium sur l'EP-M250Pro d'Eplus3D, permettent de réaliser un gain de poids de plus de 50 % et donc une augmentation extraordinaire des performances de l'ensemble de la voiture par rapport au précédent composant fraisé par CNC.

2 Avant-propos

En course, le poids du véhicule joue un rôle décisif dans les performances et le comportement de conduite. Le support de roue est l'élément central pour l'absorption et la transmission des forces. Grâce aux procédés de fabrication additive, de nouvelles possibilités de liberté de forme et de conception ont vu le jour. Le développement est basé sur des analyses assistées par ordinateur. Des outils tels que l'optimisation topologique de la structure par la méthode des éléments finis (FEM) sont utilisés ici. Ces logiciels analysent les charges prédominantes du composant et calculent une géométrie optimisée du composant. Ces informations sont intégrées dans le processus de conception. Cela permet de comparer différents processus de fabrication et d'éviter des changements de pièces coûteux.

3 Cas de charge

Afin de calculer les forces totales qui sont appliquées sur le composant au final, les différents cas de charge prédominants sont déterminés. À cette fin, toutes les données existantes sur les véhicules sont prises en compte et évaluées à l'aide d'un logiciel de calcul numérique. Pour ce faire, on se base sur la littérature du domaine de la technologie des voitures de course. Les cas de charge suivants ont été analysés.

- Impact vertical maximal

- Freinage extrême avec compensation du tangage

- Approche extrême avec compensation de tangage

- Virage extrême (calcul dynamique)

- Roue intérieure de virage

- Roue extérieure

- Freinage dans un nid de poule

- Freinage en marche arrière

- Impact des limites de la voie

- Déviation dans la butée

Figure 2 Croquis des charges [Source : Rennwagentechnik ; Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme ; Trzesniowski, Michael ; ISBN 978-3-658-04919-5]

Toutes les données du véhicule, telles que la force aérodynamique descendante, le champ d'action des pneus, la compensation cinématique du tangage, etc. sont incluses dans le calcul des conditions réelles. L'état de fonctionnement souhaité est l'adhérence avec un léger glissement, car cela permet une transmission maximale des forces longitudinales et transversales.

4 Optimisation de la topologie

Dans la première étape, un modèle de l'espace de travail est créé en tenant compte de toutes les conditions limites géométriques et cinématiques. Les caractéristiques importantes ici sont les surfaces d'installation, les raccords ainsi que les dégagements fonctionnels de la cinématique du châssis. Afin de ne pas restreindre l'algorithme d'optimisation à l'avance, toutes les libertés possibles sont utilisées. La géométrie est maintenant divisée en zones de conception (rouge) et en zones de non-conception (gris). Les zones de conception sont principalement limitées par les composants périphériques. Les zones de non-conception sont principalement des points d'appui ou de connexion. Cette division permet un maillage plus fin de la géométrie en ce qui concerne certaines forces, ce qui se traduit par un résultat de simulation plus rapide et plus précis.

Figure 3 : Modèle de l'espace de travail de l'essieu avant

Un alliage d'aluminium AlSi10Mg à haute résistance et résistant à la corrosion est utilisé. Cet alliage présente un très bon rapport résistance/poids.

Le modèle est maintenant maillé par des éléments finis. Des éléments tétraédriques avec une fonction d'attachement de second ordre sont utilisés. Les cas de charge avec les forces calculées précédemment sont maintenant appliqués. En utilisant les éléments RBE-3, le point d'introduction de la force peut être choisi comme étant la connexion entre la roue et la rue. Ces éléments relient plusieurs nœuds indépendants à un nœud dépendant via une liaison rigide et couplent ainsi leurs degrés de liberté. Cela ne raidit pas inutilement la géométrie. En outre, la zone de contact des fixations vissées est définie, ce qui permet un réglage répétable de la zone d'ajustement du linteau.

Figure 4 Différents points de vue FEM [à gauche : nœuds articulés ; à droite : point de montée de la roue]

Figure 4, deux considérations différentes sont examinées :

- L'application des forces à travers les nœuds du train d'atterrissage ; [Figure 4 : gauche]

- L'application des forces à travers le point de connexion de la roue et de la rue sur les surfaces d'appui ; [Figure 4 : droite]

Le but de l'optimisation de la topologie est d'atteindre le rendement moyen avec une réduction de masse plus définie. Le logiciel se verra finalement attribuer le niveau de restriction de remplissage, qui décrit le rapport entre la masse de sortie et la masse cible dans le volume de conception. Le rendement moyen est formé à partir d'un total de 18 cas de charge et de leur importance respective ainsi que d'un facteur de sécurité. À l'aide du solveur "OptiStruct", la solution optimale est calculée et affinée sur plusieurs itérations.

Figure 5 : Distribution de la densité des éléments sur l'essieu avant

Les structures créées doivent maintenant être remodelées par le concepteur. À cette fin, des mailles polygonales sont générées autour de la géométrie proposée. Ceux-ci sont librement personnalisables par la suite

Figure 6 Création des maillages

Figure 7 Remodelage de l'essieu avant et arrière

5 Preuve de résistance

La résistance de la nouvelle conception est examinée à l'aide d'analyses de contraintes de tous les cas de charge. Afin d'obtenir une meilleure vue d'ensemble de tous les cas de charge, le résultat des résultats de contrainte superposés est considéré, qui superpose toutes les valeurs maximales des cas de charge.

Lorsque l'on évalue les résultats de la simulation, on remarque que des contraintes élevées se produisent dans presque toutes les zones. Ceci est dû à l'optimisation de la topologie et au facteur de sécurité utilisé.

Dans la zone de la connexion inférieure du châssis de l'essieu arrière et dans la zone de contact du support de l'essieu avant, des singularités apparaissent dans des cas de charge isolés. Cela se traduit par quelques éléments sur des arêtes vives avec une tension accrue. Cependant, pour obtenir un résultat significatif, les contraintes environnantes sont considérées à une distance suffisante des singularités.

Figure 8 : Singularité du support de l'essieu avant Réglage à l'automne

En regardant de plus près, les contraintes comparatives de Von Mieses de chaque cas de charge sont inférieures à la limite d'élasticité du matériau

Figure 9 : Essieu avant à l'épreuve de la résistance

Figure 10 Essieu arrière à l'épreuve de la résistance

6 Conception pour la fabrication

Afin d'assurer une production sans heurts des composants, plusieurs optimisations sont effectuées pour garantir la fabricabilité du composant optimisé sur le plan topologique. Ces optimisations sont développées dans le cadre d'un projet en collaboration avec les participants du Delta Racing e.V., le spécialiste de l'usinage Klaeger Präzision GmbH & Co. KG ainsi qu'avec l'équipe de consultants d'Eplus3D.

Un support de roue en PLA est imprimé en 3D à l'aide du procédé FFF comme premier prototype rapide, comme exemple de toucher et de sentir et pour en discuter avec toutes les parties prenantes.

L'ordre de production des composants est ensuite défini comme suit : Les pièces sont produites de manière additive sur une imprimante EP-M250Pro MPBF (Metal Powder Bed Fusion). Ensuite, le composant et la plate-forme de construction sont recuits dans un four à vide pour réduire les contraintes à l'intérieur des pièces. À l'aide d'une machine à éroder les fils, le composant est séparé de la plateforme de construction et les structures de support sont retirées. Viennent ensuite le sablage de la surface ainsi que l'usinage des zones fonctionnelles sur une fraiseuse CNC à 5 axes, avant le contrôle de la qualité.

Figure 11a La surépaisseur d'usinage est accordée (en rouge) dans plusieurs zones du modèle CAO.

Figure 11 Historique de l'optimisation de l'essieu avant

Les contraintes intrinsèques générées par le processus additif doivent être éliminées par un recuit de contrainte des composants. Pour que la déformation due à ces contraintes résiduelles soit la plus faible possible dès le début, les angles des tiges reliant les surfaces fonctionnelles doivent être abaissés. Après revérification par l'outil de simulation, les modifications peuvent être appliquées à la conception (voir figure 12).

La construction en forme de tige du composant et le peu de surfaces de serrage possibles favorisent les vibrations pendant le post-traitement d'usinage, ce qui entraîne des marques de broutage. Par conséquent, comme on peut le voir sur la figure 11 et la figure 13 (en bleu). Ces modifications permettent de fabriquer l'ensemble du composant en un seul processus de serrage sur une fraiseuse CNC à 5 axes et de respecter ainsi toutes les tolérances de forme et de position requises (voir figure 14).

Figure 12 : Changement d'angle de l'essieu avant

Figure 13 : Surfaces de serrage après traitement

Figure 14 : Post-traitement CNC

7 Perspectives

Les supports de roue topologiquement optimisés représentent une autre étape importante dans le développement des voitures de course de Delta Racing. Au cours de la pré-saison, des supports de roue fraisés par CNC ont été installés. Grâce à la conception bionique, le potentiel de la construction légère a pu être exploité et le poids du support de roue de l'année précédente a été réduit de 50 %. Les nouveaux supports de roue pèsent donc environ 550 grammes par pièce. Toutes les masses autour de la roue font partie des masses non suspendues, qui agissent directement sur le véhicule et ne sont pas retardées par les ressorts et les amortisseurs. Les masses non suspendues représentent donc un facteur de 7 par rapport à la masse totale en mouvement. La réduction drastique des masses non suspendues rend donc le comportement de conduite nettement plus agile et sensiblement plus maniable.

Figure 15 : Montants 2021