Команда TUM Boring в Бастропе, штат Техас, в апреле 2023 года.
TUM Boring - это студенческая организация Технического университета Мюнхена, состоящая из более чем 60 студентов из более чем 16 стран. Группа объединилась в 2020 году для участия в конкурсе Not-a-Boring Competition 2021 от The Boring Company (TBC) Илона Маска.
Этот студенческий коллектив стремится к развитию будущей мобильности и целью является создание одного из самых быстрых микротуннельных буровых станков (ТМБ) в мире, чтобы способствовать инновациям в области строительства туннелей. Соревнование предоставило отличную возможность оценить свой проект в сравнении с инновациями со всего мира.
После победы в конкурсе в 2021 году команда TUM Boring получила в свое распоряжение SLA 3D-принтер Form 3+, а также начала работать с деталями, напечатанными с помощью SLS 3D-принтера Fuse 1+ 30W. Приобретенная технология 3D-печати значительно усовершенствовала рабочие процессы команды. От быстрого создания прототипов до изготовления деталей конечного использования - принтер Form 3+ изменил повседневную работу TUM Boring и помог команде выиграть второе издание конкурса Not-a-Boring в апреле 2023 года.
Ускорение процесса проектирования с помощью SLA 3D-печати
Внедрение Form 3+ позволило команде TUM Boring значительно улучшить свои итерационные возможности. Чтобы понять, как соединить различные трубы внутри ТБМ, команда обратилась к Form 3+ для печати миниатюрных прототипов различных концепций с использованием Grey Resin. Это позволило визуализировать механику вблизи, не прибегая к немедленной работе на машине в натуральную величину, что повысило эффективность и сэкономило время.
«В начале дня мы можем что-то придумать, а уже к вечеру получаем прототип, который можно посмотреть. И на основе этого мы можем делать итерации», - Том Лука Райнхардт, член исполнительного совета TUM Boring и один из руководителей группы инженеров-механиков.
Студенты также смогли провести несколько раундов функционального тестирования напечатанного компонента колеса-резака. Печать миниатюр колеса-резака с несколько иной структурой, напечатанный с помощью смолы Flexible 80A, позволила команде представить себе изделие гораздо лучше, чем при использовании программы автоматизированного проектирования. Том Лука Рейнхардт утверждает: "У нас есть программа CAD, но все же гораздо лучше иметь в руках физический продукт и посмотреть на него с разных точек зрения".
SLA 3D-печать позволила команде визуализировать различные концепции и быстро и беспрепятственно проводить итерации.
Производство деталей конечного использования с помощью SLA 3D-печати: эффективность и экономия затрат
Помимо создания прототипов, TUM Boring использовал технологию SLA для печати деталей конечного использования, таких как крышки резьбовых отверстий и крепления для датчиков.
На внешнем корпусе ТБМ имеется несколько отверстий для винтов, которые должны быть доступны в случае необходимости демонтажа фрезерной головки, но при этом закрыты для защиты машины от грязи и глины. 3D-печать крышек винтовых отверстий позволяет экономически эффективно производить заказные детали в небольших объемах, которые легко снимаются и при этом защищают машину от попадания мусора.
Рейнхардт отметил, что это "довольно большое повышение эффективности". Опробовав различные инженерные материалы, команда решила использовать Grey Resin, которая не требует дополнительной пост-обработки и отличается превосходной чистотой поверхности.
Крышки отверстий для винтов, напечатанные c использованием Grey Resin, обеспечивают легкий доступ к винтам, экономя время команды при обслуживании.
Малосерийное производство, универсальность материалов и превосходная обработка поверхностей при SLA 3D-печати позволяют использовать их и в других областях. На ТБМ установлено большое количество датчиков, и очень важно, чтобы они не смещались во время работы. Это означает, что для каждого датчика требуется индивидуальное крепление, достаточно прочное, чтобы выдержать давление и не сломаться при ударе.
Ранее изготавливавшиеся из нержавеющей стали сторонним производителем, команда оптимизировала этот процесс, напечатав крепления для датчиков на Form 3+ из смолы Tough 2000. Передача деталей на аутсорсинг часто занимала несколько дней, а то и недель, а затраты были гораздо выше, чем при собственном изготовлении. Благодаря использованию 3D-печати команда теперь может просто отправить файл на Form 3+ и напечатать крепления примерно за четыре с половиной часа.
«Благодаря 3D-печати мы можем просто загрузить STL-файл и уже через пару часов получить готовый кронштейн и установить датчик», - Том Лука Райнхардт, член исполнительного совета TUM Boring и один из руководителей группы инженеров-механиков.
Среди смол, которые были протестированы командой, смола Tough 2000 оказалась явным победителем в данном конкретном случае благодаря своей прочности и надежности. Действительно, после проведения испытаний команда TUM Boring установила, что именно Tough 2000 Resin может выдержать необходимую нагрузку, и что она не сломается при ударе.
Режущие инструменты, напечатанные на SLS 3D-принтере, испытаны на прочность под высоким давлением
В дополнение к SLA-деталям, команда TUM Boring также испытала различные конструкции режущих дисков с помощью режущих инструментов, напечатанных методом SLS. Fuse 1+ 30W позволил команде изготовить различные итерации, прежде чем была определена оптимальная геометрия для конкурса. Выбранная конструкция включала в себя режущие инструменты с более острыми кромками для плавного резания грунта и инструменты с плоскими кромками, выдерживающие большее сопротивление в процессе растачивания. Окончательный вариант геометрии был отправлен стороннему производителю и изготовлен из нержавеющей стали.
Напечатанный инструмент из порошка Nylon 11 CF Powder (слева) оказался гораздо прочнее, чем ожидали специалисты, и позволил им испытать на станке различные варианты режущих инструментов до того, как были получены детали из нержавеющей стали (справа).
Среди различных SLS-порошков, предлагаемых компанией Formlabs, наилучшим материалом для этой задачи оказался Nylon 11 CF Powder, поскольку к нему предъявлялись высокие требования по долговечности, жесткости и ударопрочности. Во время функциональных испытаний детали подвергались большому давлению и ударам. "Мы прикладывали к ним такое усилие, что смогли сдвинуть с места 15-тонный контейнер, и при этом не заметили никаких поломок", - добавляет Рейнхардт. Более того, команда была приятно удивлена, когда эти очень легкие детали выдержали испытание силой: на них не было видно ни трещин, ни разрушений.
После проведения нескольких тестов команда отметила незначительные признаки износа режущих инструментов, напечатанных из углеродного волокна, но гораздо меньшие, чем ожидалось. Кроме того, после окончания соревнований было отмечено, что прототипы из углеродного волокна и конечные детали из нержавеющей стали имели примерно одинаковые признаки износа и повреждений, что свидетельствует о прочности и долговечности порошка Nylon 11 CF Powder. "Это удивило многих участников, особенно тех, кто не верил в 3D-печать или не очень доверял данному процессу. Поэтому было приятно доказать, что они ошибаются", - говорит Рейнхардт.
Напечатанные прототипы из углеродного волокна (на фото) и конечные детали из нержавеющей имели примерно одинаковые признаки износа и повреждений.
При прокладке тоннелей вынимаемая глина может создать серьезную проблему, налипая на режущий диск бурильного станка. Глина затвердевает и полностью блокирует диск, что приводит к значительным задержкам в процессе прокладки тоннеля. Кроме того, если режущий инструмент подвергнется коррозии, это повлияет на качество и точность работы машины. В таких сложных условиях коррозионная стойкость и антипригарные свойства Nylon 11 CF Powder стали непредвиденным и важным преимуществом.
