Ingenieurs kozen voor een onconventionele aanpak om de sterkte van een plastic 3D-geprint onderdeel van twee kilo te testen tegen een 6000x zwaarder gepantserd voertuig. Normaliter wordt een klein proefstukje geprint en onder grote druk gezet totdat het knapt. De kracht die wordt uitgeoefend op het onderdeel, gedeeld door het oppervlak van de middelste kruising op het moment van breken, zal de stevigheid van het materiaal uitdrukken. De teams van Ultimaker, Covestro en de Koninklijke Marine besloten echter tot een onconventionele aanpak om te bepalen hoe sterk 3D-geprinte onderdelen in de praktijk kunnen zijn. Om dat optimaal te illustreren, moesten ze iets zwaars optillen. Maar wat? Sportschoolgewichten? Een motorfiets? Een auto? Misschien een grote jeep? En toen vroeg de Koninklijke Marine: “Waarom geen pantservoertuig?”
Het juiste onderdeel voor de juiste klus ontwerpen
Om een zwaar voertuig op te tillen met behulp van een 3D-geprint onderdeel, moesten de ingenieurs eerst de hardware analyseren. De Koninklijke Marine beschikte over een speciaal gepantserd bergingsvoertuig. Diens kraan en bijbehorende kabels zouden met stalen ringen aan het te hijsen voertuig moeten worden bevestigd. Een langwerpige O-vormige schakel zou deze twee metalen ringen kunnen verbinden en het zware voertuig kunnen optillen.
Na het importeren van de afmetingen van de stalen ringen in CAD-software, kon Ultimaker Application Engineer Lars de Jongh het eerste ontwerp voor het koppelstuk maken. Voor een stabiele 3D-print had het koppelstuk een vlakke zijde nodig, en moest het worden geprint met laaglijnen in dezelfde richting als de krachten die op het onderdeel worden uitgeoefend. Bovendien moesten het geprinte deel en het interactieoppervlak van de metalen ringen zo groot mogelijk zijn om de krachten gelijkmatig te verdelen.
Toen het ontwerp klaar was, moesten de ingenieurs op zoek gaan naar een extreem sterk materiaal dat in staat zou zijn om korte piekkrachten op te vangen. Via de Ultimaker Marketplace, die gevuld is met honderden materialen met unieke combinaties van eigenschappen, kwamen ze uit op de Addigy® F1030 CF10 van Covestro carbo. Dit op nylon gebaseerde polymeer is geladen met koolstofvezel en kan worden geprint met de Ultimaker S5 en CC print core.
Twee keer meten, één keer snijden
Het 3D-printen van een solide koppelstuk van 2 kilogram kost minder tijd dan traditionele productiemethoden. Maar omdat er veel iteraties nodig zouden zijn om de optimale vorm en afmetingen te bepalen, zou het alsnog veel tijd vergen. Daarom werd het ontwerp vóór het printen geoptimaliseerd met behulp van computersimulaties.
Covestro heeft de krachten digitaal berekend en op het ontwerp geprojecteerd met behulp van software die de exacte fysieke eigenschappen van het koolstofvezel-nylonmateriaal kent. Aan de hand van deze simulaties konden de ingenieurs bepalen waar het ontwerp moest worden aangepast en waar materiaal kon worden verwijderd. Hierdoor ontstond geleidelijk een geoptimaliseerd ontwerp dat meer gewicht kon tillen met minder materiaal, wat uiteindelijk resulteerde in een snellere productietijd tegen lagere kosten.
Voordat ze het pantservoertuig konden optillen, moesten de ingenieurs nog fysiek testen of alle berekeningen klopten. Er werden twee ontwerpen gemaakt voor twee verschillende formaten. Het eerste was een schakel van 1 kilogram die naar schatting 12 ton zou weerstaan. Het tweede ontwerp woog ongeveer 3 kilogram, en zou naar schatting 38 ton kunnen weerstaan. De Koninklijke Marine beschikt over een industriële trekbank ter plaatse die tot 343 kilonewton kracht op een object kan projecteren. Zowel de kleine als de grote versie van het initiële en het geoptimaliseerde ontwerp werden getest.
Het verschil tussen de uitkomsten van de fysieke test en de simulaties bleek minimaal, gemiddeld slechts 1%. Daarmee bewees deze workflow zijn nauwkeurigheid en winstgevendheid in time-to-market en verbeterde prestaties.
Pantservoertuigen optillen met 3D-geprinte onderdelen
Na meerdere maanden van ontwerpen, printen, testen en plannen was het moment aangebroken om de proef op de som te nemen. Twee koppelstukken zouden worden gebruikt om een zwaar pantservoertuig op te tillen. Op een legerbasis in het zuiden van Nederland verleende de 13 Lichte Brigade ondersteuning aan de teams met hun gepantserde bergingsvoertuig. Hun Leopard 2 “Buffalo” is uitgerust met een kraan aan de voorzijde en is ontworpen om zware voertuigen te bergen, zoals vrachtwagens en gevechtstanks.
Als opwarmertje werd het koppelstuk van 1 kilo gebruikt om een militaire Mercedes-jeep van meer dan 2 ton op te tillen. Dit bleek geen enkel probleem: het voertuig ging gemakkelijk de lucht in. Toen werd het tijd voor het echte werk.
De massieve met koolstofvezel versterkte nylon schakel van 2 kilo werd aangebracht tussen een M113 pantservoertuig en de Buffalo kraan. De metalen ringen werden op hun plaats gespannen en vier kabels werden via de onderste haak aan het voertuig vastgemaakt. De kraan begon langzaam omhoog te bewegen, waardoor de kabels en het 3D-geprinte onderdeel onder spanning kwamen te staan. Toen kwam het voertuig van 12 ton langzaam omhoog en zweefde het boven de grond, hangend aan een 3D-geprinte schakel. Of de Buffalo nu vooruit- of achteruitreed, of rondjes draaide: de schakel hield perfect stand. De samenwerking leidde dus tot een zeer succesvol resultaat.