Konstruktionsoptimierung und FE-Analyse von 3D-gedruckten Carbon-PEEK-basierten Mono-Blattfedern

Wissenschaftler haben nach dem 3D-Druck eines Autoteils Untersuchungen und Analysen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in „Design Optimization and FE Analysis of 3D Printed Carbon PEEK Based Mono Leaf Spring“ beschrieben und kürzlich veröffentlicht.

In dieser Forschungsarbeit wurde eine Designoptimierung und statische Analyse eines Kohlenstoff-PEEK (Polyetheretherketon, verstärkt mit Kohlenstoff) -Polymer-Monoblattfeder unter Verwendung der Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Eine vergleichende Untersuchung der Blattfedern eines Dodge SUV-Fahrzeugs wurde unter Verwendung von 3D-gedrucktem Carbon-PEEK durchgeführt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Optimierung der Design- und Materialparameter wie Faserdurchmesser, Faserlänge, prozentuales Volumen der Fasern und Orientierungswinkel der Fasern in 3D-gedruckten Materialien mit einer Monopolymer-Verbundblattfeder. Die Auswirkungen dieser Parameter wurden untersucht, um die Durchbiegung, die Biegespannung, die Federrate, die Steifheit und die von Mises-Vergleichsspannung unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu bewerten. Darüber hinaus wurden Untersuchungen durchgeführt, um das Gewicht von Blattfedern zu reduzieren, und es wurde behauptet, dass die 3D-gedruckten Blattfedern eine bessere Tragfähigkeit haben. Daher wurde diesbezüglich ein Versuch unternommen, und wir wählten das 3D-gedruckte Carbon-PEEK bei der Entwicklung des Produktdesigns und der Materialauswahl für minimale Durchbiegungs- und Biegebeanspruchungen mithilfe einer Methode zur Optimierung der Ansprechfläche für ein effizientes Blattfederaufhängungssystem aus. Der 3D-gedruckte Kohlefaser-Polymerverbundstoff weist drei unterschiedliche Volumenanteile auf, wie 30%, 50% und 60%. Das ausgewählte Kohlenstoff-PEEK weist Faserorientierungen von 0°, 45° und 90° auf. Eine Finite-Elemente-Analyse wurde an einem 3D-gedruckten Carbon-PEEK-Material durchgeführt, um die optimierten Konstruktionsparameter und die bestmögliche Kombination von Faktoren zu ermitteln, die die Blattfederleistung beeinflussen.

In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde eine Studie mit einer vorhandenen Dodge SUV-Blattfeder und CPEEK-Mono-Verbundblattfeder unter statischen Belastungsbedingungen unter Verwendung von FEA-basierten ANSYS-Softwaresimulationsergebnissen und analytischen Berechnungen durchgeführt. Die Finite-Elemente-Analyse ist ein leistungsfähiges Berechnungswerkzeug zur Simulation und Analyse komplizierter struktureller Formkörper. In dieser Forschungsarbeit wurde versucht, die 3D-Druck-FFF-Technologie zu nutzen, um die auf CPEEK-Monoblattfedern basierenden Ergebnisse zu erzielen. Die vorliegende Studie trägt dazu bei, die Anzahl der physischen Tests zu verringern und die Investition, die Zeit und die Kosten zu senken. Zum Abschluss dieser Untersuchungen wurden die Mises-Vergleichsspannung und die Gewichtsreduzierung der Aufhängung bei CPEEK-Blattfedern im Vergleich zu Stahlblattfedern für ein Dodge SUV-Fahrzeugaufhängungssystem bewertet. Dies wurde durchgeführt, um Folgendes zu erreichen. Ausgehend von der optimalen Auslegung und statischen Analyse der Studie sind Stahlblattfedern, die durch eine laminierte Carbon/Epoxy-Verbund-Monoblattfeder ersetzt wurden, die besten. Die Eigenschaften von CPEEK-Materialien, wie ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine spezifischere Steifigkeit, sind Schlüsselmerkmale für die Konstruktion einer effizienten, leichten und umweltfreundlichen Fahrzeugkomponente. Die Belastungsenergieabsorptionsfähigkeit der CPEEK-Materialien bietet eine einzigartige Kombination aus Ausfallfestigkeit der Komponenten und reduziertem Gewicht. Unter Verwendung der Finite-Elemente-Analyse mit ANSYS 16 zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass eine CPEEK-Monoblattfeder eine bessere Leistung als eine herkömmliche Stahlblattfeder aufweist. Die hier vorgeschlagene ursprüngliche Methode wurde zur Herstellung von Blattfedern mit gesteuerten FFF-Prozessparametern verwendet, die aus einer Vielzahl von Bearbeitungsbedingungen stammen. Verschiedene Kombinationen von Design- und Carbon-PEEK-Parametern wurden analysiert, wobei optimale Ergebnisse für die Blattfeder erhalten wurden, die eine geringere Durchbiegung aufweist. Die Response Surface Methodology (RSM) und die Varianzanalyse (ANOVA) ermöglichten die Entwicklung analytischer Regressionsmodelle zur Vorhersage von Durchbiegungen und Biegespannungen. Diese wurden mit Finite-Elemente-Ergebnissen validiert, die mit verschiedenen Kombinationen der Konstruktionsparameter erhalten wurden. In Bezug auf die Validierung von Vorhersagemodellen zeigten die erhaltenen Ergebnisse für die Ergebnisse der Finite-Elemente- und Regressionsanalyse eine gute Übereinstimmung mit den FEA-Ergebnissen. In zukünftigen Arbeiten werden die dynamische Analyse und das Verhalten der Blattfeder unter dynamischen Belastungsbedingungen vorgestellt.