concept

Report 3 Downloads 186 Views
Sinter      /// concept    

  Executive  Summary    

 

The  combined  solutions  proposed  revolve  around  2  core  innovations.     They  are  based  on  what  we  see  being  developed  in  laboratories  around  the  world  at  the  moment,  and  that  is  3d   printing  of  sintered  metal  powder.   This  is  already  applied  in  fields  such  as  aeronautics,  medicine,  prosthetics  and  the  car  industry  mainly  for  small   high  resistance  components.       1.The  first  solution  is  taking  inspiration  from  natural  formations  such  as  bone,  in  order  to  make  structures  lighter   and  stronger.       2.  The  second  solution  consists  in  the  mixing  different  powders  and  creating  objects  with  varying  physical   properties  along  their  volume  straight  from  the  3d  printer.                                   For  reference  the  main  material  put  forth  in  this  presentation  will  be  Aluminum  PM,  but  many  other  materials  are   also  of  interest.       Weight  Reduction  Methodology   The  project  looks  at  the  current  state  of  the  art  and  projects  it  20  years  ahead.  The  main  areas  improved  are   material  solutions  and  structural  ideas  pushing  for  a  new  way  of  thinking  and  its  potential  to  bring  forth  future   engineering  opportunities.   The  innovation  spans  over  2  main  areas:  body  in  white  with  exterior  panels,  and  power  train;  even  glass  is  not   excluded.   These  2  areas  make  up  more  than  50  percent  of  a  vehicles  total  weight.  The  project  aims  to  improve  that  by  40  to   50%  equating  in  a  25%  or  500  kg  weight  decrease  to  a  2000kg  modern  luxury  sedan,  or  35%  of  a  1300kg  modern   sports  car.   http://www.renishaw.com/en/first-­‐metal-­‐3d-­‐printed-­‐bicycle-­‐frame-­‐manufactured-­‐by-­‐renishaw-­‐for-­‐empire-­‐cycles-­‐-­‐24154  

        Studying  living  organisms  tissue  and  physical  and  geometrical  structural  element  arrangements  will  bring  great   benefits  to  the  way  we  create  cars  in  the  future.   Innovation     The  ideas  for  weight  reduction  consist  in  elaborate  methods  of  using  3d  printed  sintered  metal  alloy  powders.       First  of  all  we  have  to  imagine  that  3d  printers  will  get  bigger  and  more  complex  in  the  coming  years.  This  will  pave   the  way  for  many  more  applications  with  larger  scope.     In  the  next  10  years  we  will  probably  see  the  first  3d  printed  metal  car  space  frame.   In  the  next  20  years  we  will  see  the  first  3d  printed  functional  power  train,  most  likely  for  a  high-­‐end  sports  car.   The  ideas  proposed  here  would  come  after  the  first  metal  chassis  and  even  power  train  have  been  printed  and  look   to  build  upon  that  and  evolve  the  concept  even  further.       Imagine  a  car  frame  built  from  one  single  piece.   It  will  not  need  any  rivets,  bolts,  glue,  welding  and  joints.  It  will  look  like  something  from  a  science  fiction   illustration,  like  something  biological  grown  in  a  laboratory.  This  reality  is  closer  than  most  people  expect.   This  is  the  concept  put  forth:   A  structure  with  double  the  rigidity  and  half  the  weight  of  today's  most  advanced  car  frames.                                                       This  frame  is  made  out  of  aluminum,  steel,  and  soft  materials  all  in  1  piece.  

It  is  achieved  through  the  use  of  a  large  and  slightly  more  complex  printer  that  the  ones  we  have  today.       The  method  for  achieving  this  consists  in  adding  different  powders  within  the  same  printing  batch  and  combining   those  in  key  areas  of  the  same  final  object.   The  next  2  images  are  used  to  explain  the  concept:                                         Here,  ceramic  can  gradually  turn  into  metal  in  the  same  way  that  bones  turn  into  tendons     and  then  into  muscle.  Tendons  grow  gradually  out  of  bones  and  their  density,  chemical  properties  and  elasticity   change  gradually.  This  can  be  achieved  and  mimicked  through  3d  printing  of  multiple  materials  and  porosities.         Using  these  types  of  methods,  consistent  weight  reduction  is  obtained  through  multiple  key  steps:     1.  Elimination  of  joints  and  weak  areas.   3d  printing  gets  rid  of  all  that  and  offers  much  greater  adaptability  and  fine-­‐tuning  of  key  areas.     2.  Single  piece  construction  of  vehicle  frame,  with  inclusion  of  fixings  and  additional  parts.   Big  3d  printer  needed.     3.  Single  piece  construction  of  structural  body  elements  -­‐  example  -­‐  longitudinal  door  impact  beams  and  door   exterior  panel  can  be  made  in  one  piece.   This  will  allow  much  more  freedom  in  material  choices  with  a  net  gain  in  strength  and  weight  saving.     4.  The  creation  of  structural  elements  with  varying  density  for  maximum  lightness  and  support  in  strategic  areas.   Ex:  Soft  elastic  engine  mount  heads  growing  straight  from  the  chassis  and  CV  boots  integrated  within  drive  axle.   5.  Complete  integration  of  wiring  and  electronic  canals  through  the  structural  beams  for  excellent  optimization  of   weight  distribution.  This  can  be  called  liquid  packaging.     6.  If  need  be  integration  of  optional  auxiliary  fuel  cells  or  liquid  fuel  storage  within  the  car's  structural  beams  for   optimal  weight  distribution.  This  is  also  a  form  of  liquid  packaging.     Finally  through  this  type  of  technology  man  made  engineering  solutions  can  be  as  optimized  as  the  ones  that  have   evolved  in  nature  over  many  eons.    

  Bill  of  Materials   The  main  material  used  is  aluminum  Powder.  Theoretically  it  would  weigh  in  at  around  420kg  between  exterior   panels,  space  frame  and  drive  train  with  a  1.4-­‐liter  turbo  engine.  This  will  be  enough  to  build  the  aluminum  space   frame,  engine  mounts,  safety  beams  and  exterior  panels  of  a  5  seat  modern  sedan.     These  assumptions  are  made  based  on  previous  3d  printed  metals  with  outstanding  lightness  compared  to  their   traditional  counterparts.  For  example  a  seat  post  bracket  for  a  bicycle  created  in  2014  is  44%  lighter  than   aluminium  alloy  version. Even  more  for  a  commercial  plane's  door  hinges. http://www.renishaw.com/en/first-­‐metal-­‐3d-­‐printed-­‐bicycle-­‐frame-­‐manufactured-­‐by-­‐renishaw-­‐for-­‐empire-­‐cycles-­‐-­‐24154 http://www.3ders.org/articles/20140818-­‐ge-­‐reveals-­‐breakthrough-­‐in-­‐3d-­‐printing-­‐super-­‐light-­‐weight-­‐metal-­‐blades-­‐for-­‐jet-­‐engine.html  

The  current  price  for  15um  aluminum  PM  is  29$  per  kg  (source  Alibaba.com).  This  means  12.180$  in  raw  material   cost  for  most  metallic  parts  in  the  car.   Material  properties  and  advantages  of  existing  alumiunium  powders  chart                 Required  Manufacturing  Processes     The  NEW  manufacturing  solution  that  the  project  is  putting  forward  is  the  mixing  of  different  powders  for  the   printing  of  the  same  part.  This  will  allow  different  mechanical  properties  on  one  end  of  the  part  compared  to  the   other  end.       A  must  is  to  look  at  this  as  a  transition  between  bone  and  soft  tissue.  This  in  some  cases  is  done  gradually  without   the  2  areas  being  disjointed.   One  can  almost  go,  as  far  as  to  think  that  door  hinge  will  be  an  integral  part  of  the  door  panel.     This  potential  solution  needs  careful  research  and  the  mixing  of  powders  in  the  machine  needs  to  be  done   automatically  with  a  precision  of  microns.  This  will  allow  the  final  part  to  have  well-­‐controlled  resistance  and   lightness  properties.     A  laser  with  temperature  modulation  is  needed.  It  will  pulsate  multiple  times  on  the  same  point,  because  different   materials  have  different  ‘melting’  points.  This  will  allow  the  materials  to  intertwine.   Also  a  powder  spray  nozzle  can  be  used  to  create  structural  strands  within  an  object  made  from  a  different   material.  It  will  spray  a  different  strand  of  powder  on  each  layer  as  explained  in  the  proposed  process  image.        

Proposed  process:                                                               However,  most  of  the  manufacturing  solutions  involved  largely  exist.  An  important  step  is  general  scaling  of  metal   powder  production  around  the  world,  which  will  come  naturally  in  the  coming  years  driving  the  price  down.       The  second  natural  leap  is  creating  bigger  and  more  capable  3d  printers  with  multiple,  more  powerful  and  greener   lasers  that  can  print  a  full  size  sedan  space  frame  in  one  go  and  in  a  very  short  time.     3d  printers  with  multiple  powder  reservoirs  will  be  needed,  as  they  should  be  able  to  precisely  combine  2  or  more   different  powders  in  certain  quantities  and  areas  in  order  to  obtain  final  products  with  varying  densities  and   compositions.     Image  example:                            

Image  with  the  purpose  of  illustrating  the  concept  explained  above.   Layers  are  added  micron  my  micron  with  different  rations  of  quantities  of  2  mixed  powders.   Different  and  new  alloys  can  be  created  straight  from  the  printer.       The  end  result  would  be  something  like  selective  heat  treating  or  tempering  different  areas  of  an  object,  but  on  a   much  bigger  scale  of  alteration.  It  can  be  called  a  dynamic  material  matrix  composite,  and  the  paper  is  not  aware   of  the  existence  of  such  materials  at  present  in  the  world.   The  innovation  consists  in  creating  one  piece  chassis  and  vehicle  panels  as  well  as  fixings  integrated  in  the  chassis   with  different  densities  and  material  properties  where  needed.   Earth's  oldest  rocks  sometimes  form  basic  random  metal  matrixes (as  shown  underneath).   With  3d  printing  we  can  theoretically  control  the  matrixes  to  a  micron  level  and  create  new  composite  structures   fitted  to  specific  physical  requirements.                     Passenger  Safety   Passenger  active  safety  will  be  greatly  improved  by  modeling  optimized  reinforcements  around  stress  areas.   Internal  bone  like  structures  with  varying  densities  will  greatly  help  absorb  impact  energy  and  materials  more   advanced  than  metal  foam  will  act  like  cushions  that  will  “potentially  make  40  mph  crashes  feel  like  10mph“.   Just  like  metal  foam  absorption  properties,  it  will  be  similar  for  3d  printed  objects  with  internal  bone  and  crumple   structures  and  varying  material  densities  and  strengths.  The  paper  cannot  quantify  these  improvements  with   exactness  at  present  time,  although  the  values  will  probably  be  higher  than  current  production  standards.     Innovative/Safety  Component   “According  to  the  Encyclopedia  Britannica,  compact  bone  specimens  have  been  found  to  have  tensile  strength   around  20,000  psi  (pounds  per  square  inch).     "Mild"  steel  such  as  AISI  1020  Hot  Rolled,  on  the  other  hand,  has  a  tensile  strength  of  70,000  psi,  and  alloy  steels   that  are  heat-­‐treated  can  have  tensile  strengths  of  over  200,000  psi,  ten  times  stronger  than  bone.     However,  steel  is  about  4.5  times  heavier  than  bone,  so  bone  is  actually  stronger  than  mild  steel  on  a  per-­‐weight   basis”.   This  is  because  of  bones  intelligent  internal  structural  management  and  chemical  composition.  Using  similar   structures  made  out  of  aluminum  or  other  elements  will  bring  forth  incremental  crash  safety  and  impact   absorption  levels.  The  dynamic  material  composed  could  also  help  take  in  greater  forces.  

  Potential  Challenges   1.  A  challenge  to  overcome  in  some  cases  is  that  the  materials  used  need  to  have  similar  dilatation  characteristics.   Extensive  research  focused  on  solutions  depending  on  case  is  needed.   2.  Car  manufactures  will  have  to  invest  heavily  in  3d  printing  tech  in  the  coming  years  and  decades  if  they  want  to   stay  competitive  and  meet  consumption  standards.   http://3dprinting.com/3dprinters/daimler-­‐invests-­‐in-­‐large-­‐scale-­‐3d-­‐printer-­‐for-­‐metal-­‐printing/     3.  “  To  date,  the  3D  printing  revolution  has  focused  on  the  use  of  plastics.  Until  now  3D  printing  with  metal  has   been  prohibitively  expensive  because  of  the  cost  of  titanium  powders  which  currently  sell  for  $200-­‐$400  per   kilogram.  But  we  are  seeing  a  gradual  decrease  in  prices  for  metal  sintered  powders.  “       4.  Demand  for  aluminum  is  high  and  that  will  keep  prices  up  for  the  time  being.   5.  Possible  economic  downturns  and  low  investment  in  innovation  and  technology  scaling.   6.  Initial  production  and  investment  costs  and  technology  adoption.     A  proposed  solution  that  will  help  push  this  technology  is  collaborating  with  motorsport  organizations  that  can   implement  this  in  their  vehicles,  such  as  Formula1  cars.  This  is  a  great  publicity  and  awareness  solution  for  further   implementation  of  high-­‐end  technologies  into  the  future  main  stream.