ES2884262T3 - Chasis de vehículo - Google Patents

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William Bradley Balzer
Praveen Varma Penmetsa
Zachary Meyer Omohundro
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Abstract

Un chasis de vehículo que comprende: una pluralidad de tubos de conexión; y una pluralidad de miembros de junta preformados, cada miembro de junta dimensionado y conformado para acoplarse con al menos un subconjunto de la pluralidad de los tubos de conexión en la pluralidad de tubos de conexión para formar una estructura de bastidor tridimensional, en donde cada miembro de junta de la pluralidad de miembros de junta está dimensionado y conformado de modo que el miembro de junta entre en contacto con una superficie interior y una superficie exterior de un tubo de conexión cuando el tubo de conexión se acopla con el miembro de junta y en donde al menos un miembro de junta de la pluralidad de miembros de junta comprende características internas de enrutamiento configuradas para proporcionar una red de pasajes, en donde la pluralidad de miembros de junta comprende características de montaje, proporcionando las características de montaje monturas de panel para el montaje de paneles en la estructura de bastidor tridimensional.

Description

DESCRIPCIÓN
Chasis de vehículo
Antecedentes
La construcción del bastidor espacial se utiliza en aplicaciones automovilísticas, estructurales, marinas y de muchos otros tipos. Un ejemplo de construcción de bastidor espacial puede ser una construcción de chasis de bastidor de tubo soldado, que se utiliza a menudo en el diseño de vehículos de bajo volumen y alto rendimiento debido a las ventajas de los bajos costes de las herramientas, la flexibilidad de diseño y la capacidad de producir estructuras de alta eficiencia. Estas estructuras requieren que los tubos del chasis estén conectados en una amplia variedad de ángulos y pueden requerir el mismo punto de conexión para adaptarse a una variedad de geometrías de tubos. Los métodos tradicionales de fabricación de miembros de junta para la conexión de dicho chasis de estructura de tubo pueden incurrir en altos costes de equipo y fabricación.
Lightweight Bike Stem using metal Additive Manufacturing. 10 de febrero de 2012. Este documento divulga el desarrollo de una potencia de bicicleta adecuada para la fabricación utilizando un proceso de fabricación de aditivos metálicos. El documento US 4721 407 A divulga una junta para un bastidor de bicicleta.
El documento US 4583755 A divulga un bastidor de bicicleta.
El documento FR 2941 166 A1 divulga un método para fabricar piezas compuestas que tienen formas complejas. El documento US 2013/160295 A1 divulga un método, un aparato y un producto de programa informático para determinar la deformación inducida en un punto seleccionado en una estructura de panel rígida en respuesta a una carga, teniendo en cuenta uno o más efectos "fuera del plano" (oop, por sus siglas en inglés).
El documento US 7133812 B1 divulga un método de diseño paramétrico de una estructura de soporte del panel de instrumentos.
Rapid prototyping of robotic systems. 24 de abril de 2000. Este documento describe la aplicación de la creación rápida de prototipos en la fabricación de sistemas robóticos sin ensamblaje.
El documento US 3665670 A divulga una estructura de soporte de baja masa.
El documento EP 3080729 A1 divulga sistemas y métodos para proporcionar juntas de acoplamiento.
El documento US 5720092 A se refiere a métodos de fabricación de bastidores espaciales de vehículos.
Sumario
Aunque el método descrito a continuación no forma parte de la invención reivindicada, existe la necesidad de un método de fabricación que pueda generar juntas para conectar tubos con una variedad de parámetros geométricos. En el presente documento, se proporciona un método de impresión en 3D de juntas para la conexión de tubos, como tubos de fibra de carbono. Las juntas pueden imprimirse de acuerdo con la especificación de requisitos geométricos y físicos en cada punto de intersección de tubos. El método de impresión en 3D de las juntas puede reducir los costes de fabricación y estas se pueden escalar fácilmente.
El método de impresión en 3D descrito en esta descripción puede permitir la impresión de características finas en las juntas que pueden no ser alcanzables mediante otros métodos de fabricación. Un ejemplo de una característica fina descrita en esta divulgación puede comprender características de centrado para forzar que el centro de un tubo de conexión y el centro de un saliente de junta contiguo sean coaxiales. Las características de centrado pueden proporcionar un hueco entre una superficie externa de la región interna de una junta y una superficie interna de un tubo de conexión, a través del que puede aplicarse adhesivo. Otro ejemplo puede ser que las boquillas se puedan imprimir en la junta que pueden conectarse al equipo para introducir adhesivo para unir un conjunto de junta y tubo. Los aspectos de la invención están dirigidos a un método de fabricación de un miembro de junta para la conexión de una pluralidad de tubos de conexión que forman un bastidor espacial, comprendiendo el método: determinar un ángulo relativo del tubo, el tamaño del tubo y la forma del tubo para cada uno de la pluralidad de tubos de conexión que se conectarán mediante el miembro de junta; determinar la dirección y la magnitud del esfuerzo que ejercerá la pluralidad de tubos de conexión en el miembro de junta; e imprimir en 3D el miembro de junta que tiene una configuración que (1) aloja el tubo relativo, ángulo, el tamaño del tubo y la forma del tubo en cada miembro de junta, y (2) soporta la dirección y magnitud del esfuerzo ejercida por la pluralidad de tubos de conexión.
En algunas realizaciones, el bastidor espacial está configurado para encerrar al menos parcialmente un volumen tridimensional. Cada tubo de conexión de la pluralidad de tubos de conexión puede tener un eje longitudinal a lo largo de un plano diferente. El bastidor espacial puede ser el bastidor del chasis de un vehículo.
El método puede comprender, además, características de centrado de impresión en 3D en al menos una porción del miembro de junta. Las características de centrado se pueden imprimir en un saliente de junta del miembro de junta configurado para insertarse en un tubo de conexión. Los rasgos distintivos de las características de centrado se pueden determinar en función de la dirección y la magnitud del esfuerzo que ejercerá la pluralidad de tubos de conexión en el miembro de junta. La dirección y la magnitud del esfuerzo que ejercerá la pluralidad de tubos de conexión en el miembro de junta pueden determinarse de forma empírica o informática.
Un aspecto adicional de la invención puede referirse a un chasis de vehículo como se describe en las reivindicaciones 1-15 adjuntas.
En algunas realizaciones, cada miembro de junta de la pluralidad de miembros de junta está dimensionado y conformado de modo que el miembro de junta contacte con una superficie interior y una superficie exterior de un tubo de conexión cuando el tubo de conexión se acopla con el miembro de junta. Opcionalmente, al menos un miembro de junta de la pluralidad de miembros de junta comprende características internas de enrutamiento formadas durante la impresión en 3D del miembro de junta. Las características internas de enrutamiento pueden proporcionar una red de pasajes para el transporte de fluido a través del chasis del vehículo cuando se forma la estructura de bastidor tridimensional. Las características internas de enrutamiento pueden proporcionar una red de pasajes para el transporte de electricidad a través de componentes eléctricos en todo el chasis del vehículo cuando se forma la estructura de bastidor tridimensional.
La pluralidad de miembros de junta puede comprender características de montaje formadas durante la impresión en 3D de los miembros de junta. Las características de montaje pueden proporcionar monturas de panel para el montaje de paneles en la estructura de bastidor tridimensional.
Se puede proporcionar un sistema no reivindicado para formar una estructura de acuerdo con un aspecto adicional de la invención. El sistema puede comprender: un sistema informático que recibe datos de entrada que describen un ángulo relativo del tubo, el tamaño del tubo y la forma del tubo para cada uno de una pluralidad de tubos de conexión que se conectarán mediante una pluralidad de miembros de junta para formar un bastidor de la estructura, en donde el sistema informático está programado para determinar la dirección y la magnitud del esfuerzo que ejercerá la pluralidad de tubos de conexión en la pluralidad de miembros de junta: y una impresora 3D en comunicación con el sistema informático configurada para generar la pluralidad de miembros de junta que tienen un tamaño y una forma para (1) alojar el tubo relativo, ángulo, el tamaño del tubo y la forma del tubo en cada miembro de junta, y (2) soporta la dirección y magnitud del esfuerzo ejercida por la pluralidad de tubos de conexión.
En algunos casos, el bastidor de la estructura encierra al menos parcialmente un volumen tridimensional. La pluralidad de miembros de junta puede comprender, además, características de centrado en al menos una porción del miembro de junta formado por la impresora 3D. Las características de centrado se pueden imprimir en un saliente de junta del miembro de junta configurado para insertarse en un tubo de conexión. Los rasgos distintivos de las características de centrado se pueden determinar en función de la dirección y la magnitud del esfuerzo que ejercerá la pluralidad de tubos de conexión en cada miembro de junta.
Los aspectos y las ventajas adicionales de la presente divulgación serán fácilmente evidentes para los expertos en esta materia a partir de la siguiente descripción detallada, en la que solo se muestran y describen realizaciones ilustrativas de la presente divulgación. Como se apreciará, la presente divulgación es capaz de otras y diferentes realizaciones, y sus diversos detalles son capaces de modificaciones en varios aspectos obvios, todo sin apartarse de la divulgación. Por consiguiente, los dibujos y la descripción deben considerarse de naturaleza ilustrativa y no restrictiva.
Breve descripción de los dibujos
Las características novedosas de la invención se exponen con particularidad en las reivindicaciones adjuntas. Se obtendrá un mejor entendimiento de las características y ventajas de la presente invención haciendo referencia a la siguiente descripción detallada que expone realizaciones ilustrativas, en las que se usan los principios de la invención, y a los dibujos adjuntos (también denominados "figura" y "FIG." en el presente documento), en los que:
La FIG. 1 muestra un ejemplo de un chasis de estructura espacial construido a partir de tubos de fibra de carbono conectados por nodos impresos en 3D.
La FIG. 2 muestra un diagrama de flujo del proceso utilizado para diseñar y construir juntas.
La FIG. 3 muestra un ordenador en comunicación con una impresora 3D.
La FIG. 4 muestra un diagrama de flujo detallado que describe cómo se puede utilizar un modelo de diseño para generar juntas impresas para el ensamblaje del modelo de diseño dado.
La FIG. 5 muestra un ejemplo de una junta impresa usando el método descrito en el presente documento.
La FIG. 6 muestra una junta conectada a tubos donde los tubos están en ángulos no iguales entre sí.
La FIG. 7 muestra una junta con 5 salientes.
La FIG. 8 muestra una junta impresa para conectar con tubos de tamaño de sección transversal no igual.
Las FIG. 9a-d muestran ejemplos de funciones de centrado impresas en juntas.
La FIG. 10 muestra un diagrama de flujo que describe un método para elegir características de centrado en función de una carga o esfuerzo esperado en una junta.
La FIG. 11 muestra una sección transversal de un saliente de junta con boquillas que se conectan a pasajes internos en la pared lateral del saliente de junta.
Las FIG. 12a-c muestran juntas impresas con características estructurales integradas y pasajes para enrutamiento eléctrico y de fluidos.
Descripción detallada
Aunque en el presente documento se han mostrado y descrito varias realizaciones de la invención, será obvio para los expertos en la materia que tales realizaciones se proporcionan solo a modo de ejemplo. Los expertos en la materia pueden producir numerosas variaciones, cambios, y sustituciones sin apartarse de la invención. Se entenderá que pueden emplearse varias alternativas a las realizaciones de la invención descritas en el presente documento.
Esta divulgación proporciona un método para fabricar un miembro de junta mediante fabricación aditiva y/o sustractiva, como la impresión en 3D. El miembro de junta puede configurarse para proporcionar una conexión de una pluralidad de tubos de conexión, que se puede utilizar para la construcción de un bastidor espacial ligero. Un bastidor espacial puede ser un bastidor que tiene un volumen tridimensional. Un bastidor espacial puede ser un bastidor que puede aceptar uno o más paneles para encerrar al menos parcialmente el bastidor. Un ejemplo de bastidor espacial es un chasis de vehículo reivindicado. Se pueden aplicar varios aspectos de la divulgación descrita a cualquiera de las aplicaciones identificadas aquí además de a cualquier otra estructura que comprenda una construcción de bastidor de junta/tubo. Debe entenderse que diferentes aspectos de la invención pueden apreciarse individualmente, colectivamente, o en combinación entre sí.
La FIG. 1 muestra un chasis de vehículo 100 que incluye tubos de conexión 101a, 101b, 101c conectados por uno o más nodos (también conocidos como juntas) 102, de acuerdo con una realización de la invención. Cada miembro de junta puede comprender un cuerpo central y uno o más orificios que se extienden desde el cuerpo central. Un nodo multiorificio, o miembro de junta, se puede proporcionar para conectar tubos, como tubos de fibra de carbono, para formar una estructura bidimensional o tridimensional. La estructura puede ser un bastidor. En un ejemplo, una estructura bidimensional puede ser un bastidor plano, mientras que una estructura tridimensional puede ser un bastidor espacial. Un bastidor espacial puede encerrar un volumen en el mismo. En algunos ejemplos, una estructura de bastidor espacial tridimensional puede ser un chasis de vehículo. El chasis de vehículo puede tener una longitud, una anchura y una altura que pueden encerrar un espacio en el mismo. La longitud, la anchura y la altura del chasis de vehículo pueden ser mayores que un espesor de un tubo de conexión.
El chasis de un vehículo puede formar el armazón de un vehículo. El chasis de un vehículo puede proporcionar la estructura para la colocación de paneles de carrocería de un vehículo, donde los paneles de carrocería pueden ser paneles de puerta, paneles de techo, paneles de suelo, o cualquier otro panel que forme el cerramiento de un vehículo. Además, el chasis puede ser el soporte estructural para las ruedas, un tren de accionamiento, para el bloque motor, para los componentes eléctricos, para los sistemas de calefacción y refrigeración, para los asientos o para el espacio de almacenamiento. Un vehículo puede ser un vehículo de pasajeros capaz de transportar al menos aproximadamente 1 o más, 2 o más, 3 o más, 4 o más, 5 o más, 6 o más, 7 o más, 8 o más, diez o más, veinte o más, o treinta o más pasajeros. Ejemplos de vehículos pueden incluir, entre otros, berlinas, camiones, autobuses, camionetas, monovolúmenes, furgonetas, vehículos de reentrada, remolques, tractores, karts, automóviles, trenes o motocicletas, barcos, naves espaciales o aviones. El chasis del vehículo puede proporcionar un factor de forma que coincida con el factor de forma del tipo de vehículo. Dependiendo del tipo de vehículo, el chasis del vehículo puede tener configuraciones variables. El chasis del vehículo puede tener niveles de complejidad variables. En algunos ejemplos, puede proporcionarse un bastidor espacial tridimensional que puede proporcionar un armazón externo para el vehículo. El armazón externo puede estar configurado para aceptar paneles de carrocería para formar un cerramiento tridimensional. Opcionalmente, pueden proporcionarse soportes o componentes internos. Los soportes o componentes internos se pueden conectar al bastidor espacial a través de la conexión a uno o más miembros de junta del bastidor espacial. Se pueden proporcionar diferentes diseños de nodos multiorificio y de tubos de conexión para alojar diferentes configuraciones de chasis de vehículos. En algunos casos, se puede organizar un conjunto de nodos para formar un único diseño de chasis único. Como alternativa, se puede utilizar al menos un subconjunto del conjunto de nodos para formar una pluralidad de diseños de chasis. En algunos casos, al menos un subconjunto de nodos en un conjunto de nodos puede ensamblarse en un primer diseño de chasis y luego desmontarse y reutilizarse para formar un segundo diseño de chasis. El primer diseño de chasis y el segundo diseño de chasis pueden ser iguales o diferentes. Los nodos pueden soportar tubos en un plano bidimensional o tridimensional. Por ejemplo, se puede configurar un nodo multipunta para conectar tubos que no todos caen dentro del mismo plano. Los tubos conectados a un nodo multipunta pueden proporcionarse de forma tridimensional y pueden abarcar tres ejes ortogonales. En realizaciones alternativas, algunos nodos pueden conectar tubos que pueden compartir un plano bidimensional. En algunos casos, el miembro de junta se puede configurar para conectar dos o más tubos en donde cada tubo en los dos o más tubos tiene un eje longitudinal a lo largo de un plano diferente. Los diferentes planos pueden ser planos de intersección.
Los tubos de conexión 101a, 101b, 101c del vehículo pueden estar formado por un material de fibra de carbono o cualquier otro material compuesto disponible. Ejemplos de materiales compuestos pueden incluir compuestos de fibra de carbono de alto módulo, compuestos de fibra de carbono de alta resistencia, compuesto de fibra de carbono de tejido liso, compuestos de carbono de tejido de arnés satinado, compuestos de fibra de carbono de bajo módulo o compuestos de fibra de carbono de baja resistencia. En realizaciones alternativas, los tubos pueden formarse a partir de otros materiales, como plásticos, polímeros, metales o aleaciones de metales. Los tubos de conexión pueden formarse a partir de materiales rígidos. Los tubos de conexión pueden tener dimensiones variables. Por ejemplo, diferentes tubos de conexión pueden tener diferentes longitudes. Por ejemplo, los tubos de conexión pueden tener longitudes del orden de aproximadamente 2,54 cm (1 pulgada), 7,62 cm (3 pulgadas), 15,24 cm (6 pulgadas), 22,86 cm (9 pulgadas), 30,48 cm (1 pie), 60,96 cm (2 pies), 91,44 cm (3 pies), 121,92 cm (4 pies), 152,4 cm (5 pies), 182,88 cm (6 pies), 213,36 cm (7 pies), 243,84 cm (8 pies), 274,32 cm (9 pies), 304,8 cm (10 pies), 335,28 cm (11 pies), 365,76 cm (12 pies), 396,24 cm (13 pies), 426,72 cm (14 pies), 457,2 cm (15 pies), 609,6 cm (20 pies), 762 cm (25 pies) o 914,4 cm (30 pies). En algunos casos, los tubos pueden tener el mismo diámetro o diámetros variables. En algunos ejemplos, los tubos pueden tener diámetros del orden de aproximadamente 0,15875 cm (1/16 in), 0,3175 cm (1/8 in), 0,635 cm (1/4 in), 1,27 cm (1/2 in), 2,54 cm (1 in), 5,08 cm (2 in), 7,62 cm (3 in), 10,16 cm (4 in), 12,7 cm (5 in), 25,4 cm (10 in), 38,1 cm (15 in) o 50,8 cm (20 in).
Los tubos de conexión pueden tener cualquier forma de sección transversal. Por ejemplo, los tubos de conexión pueden tener una forma sustancialmente circular, una forma cuadrada, una forma oval, una forma hexagonal o cualquier otra forma irregular. La sección transversal del tubo de conexión podría ser una sección transversal abierta, como un canal en C, una viga en I o un ángulo.
Los tubos de conexión 101a, 101b, 101c pueden ser tubos huecos. Puede proporcionarse una porción hueca a lo largo de toda la longitud del tubo. Por ejemplo, los tubos de conexión pueden tener una superficie interna y una superficie externa. Un diámetro interior para el tubo puede corresponder a una superficie interna del tubo de conexión. Un diámetro exterior del tubo puede corresponder a un diámetro exterior del tubo. En algunas realizaciones, la diferencia entre el diámetro interior y el diámetro exterior puede ser menor o igual a aproximadamente 0,079375 cm (1/32 in), 0,15875 cm (1/16 in), 0,3175 cm (1/8 in), 0,635 cm (1/4 in), 1,27 cm (1/2 in), 2,54 cm (1 in), 5,08 cm (2 in), 7,62 cm (3 in), 10,16 cm (4 in) o 12,7 cm (5 in). Un tubo de conexión puede tener dos extremos. Los dos extremos pueden estar opuestos entre sí. En realizaciones alternativas, los tubos de conexión pueden tener tres, cuatro, cinco, seis o más extremos. El bastidor del chasis del vehículo puede comprender tubos de fibra de carbono conectados con nodos 102.
Los nodos multiorificio 102 (también conocidos como juntas, miembros de junta, juntas, conectores, orejetas) presentados en esta divulgación pueden ser adecuados para su uso en un bastidor de chasis de vehículo tal como el bastidor que se muestra en la FIG. 1. Los nodos en el bastidor del chasis 100 pueden estar diseñados para adaptarse a los ángulos de tubo dictados por el diseño del chasis. Los nodos están preformados a las geometrías deseadas para permitir un ensamblaje rápido y de bajo coste del chasis. Los nodos están preformados utilizando técnicas de impresión en 3D. La impresión en 3D puede permitir que los nodos se formen en una amplia gama de geometrías que pueden adaptarse a diferentes configuraciones de bastidores. La impresión en 3D puede permitir que los nodos se formen en función de un archivo de diseño generado por ordenador que comprende las dimensiones de los nodos.
Un nodo puede estar compuesto por un material metálico (por ejemplo, aluminio, titanio, o acero inoxidable, latón, el cobre, acero cromado o hierro), un material compuesto (por ejemplo, fibra de carbono), un material polimérico (por ejemplo, plástico) o alguna combinación de estos materiales. El nodo se puede formar a partir de un material en polvo. La impresora 3D puede fundir y/o sinterizar al menos una porción del material en polvo para formar el nodo. El nodo puede estar formado de un material sustancialmente rígido.
Un nodo puede soportar el esfuerzo aplicada en o cerca del nodo. El nodo puede soportar la compresión, la tensión, la torsión, esfuerzos de cizalladura o alguna combinación de estos tipos de esfuerzos. La magnitud del esfuerzo soportada en el nodo puede ser de al menos 1 Mega Pascal (MPa), 5 MPa, 10 MPa, 20 MPa, 30 MPa, 40 MPa, 50 MPa, 60 MPa, 70 MPa, 80 MPa, 90 MPa, 100 MPa, 250 MPa, 500 MPa o 1 GPa. El tipo, la dirección y la magnitud del esfuerzo pueden ser estáticas y depender de la ubicación del nodo en un bastidor. Como alternativa, el tipo de esfuerzo, la dirección y la magnitud pueden ser dinámicas y una función del movimiento del vehículo, por ejemplo, el esfuerzo en el nodo, puede cambiar a medida que el vehículo asciende y desciende una colina.
La FIG. 2 muestra un diagrama de flujo que describe un método para la impresión en 3D de miembros de junta para tubos de conexión, como tubos de fibra de carbono, en un bastidor espacial. En este método, se elige un modelo de diseño de chasis 201. El modelo de diseño del chasis puede ser un nuevo diseño o un diseño almacenado en una biblioteca que puede comprender diseños usados previamente o diseños comunes existentes. El diseño del chasis puede ser generado por un usuario que forma las juntas con el proceso de impresión en 3D o por un usuario diferente al usuario que forma las juntas. El diseño del chasis se puede editar. El diseño del chasis puede estar disponible a través de un mercado en línea. A partir del diseño de chasis elegido, la especificación del tubo (por ejemplo, diámetro interior y exterior, se determina 202 la sección transversal del tubo y el ángulo de los tubos entre sí en los puntos de conexión). A continuación, se determinan 203 los esfuerzos dinámicos y estáticos en cada punto de conexión del tubo. Los esfuerzos dinámicos y estáticos en cada punto de conexión del tubo se pueden determinar mediante un modelo informático, por ejemplo, un análisis de elementos finitos. Usando las propiedades físicas y estructurales determinadas en las etapas 202 y 203, se diseña 204 la junta (nodo). Finalmente, en la última etapa, las juntas se generan utilizando una impresora 3D de acuerdo con la especificación determinada por las etapas anteriores 205. Se pueden formar dos o más juntas simultáneamente. Como alternativa, las juntas se pueden formar de una en una.
Se puede generar un modelo de diseño de chasis en cualquier programa informático de diseño estructural disponible, por ejemplo AutoCAD, Autodesk, Solid Works o Solid Edge. El modelo de diseño del chasis se puede generar de una herramienta de diseño simple personalizada adaptada a los requisitos del diseño de bastidores espaciales. Esta herramienta personalizada podría interactuar con el programa informático de diseño estructural existente para generar automáticamente geometrías de nodo completas a partir de un conjunto mínimo de datos de entrada (por ejemplo, ángulos relativos de los tubos que entran en un nodo determinado). Después de generar un modelo del chasis, se puede definir cada punto de conexión de los tubos. Los puntos de conexión de tubos pueden ser ubicaciones donde se usa una junta para conectar dos o más tubos. Los rasgos distintivos de los puntos de conexión de los tubos se pueden determinar por el modelo y utilizarse para definir la estructura de junta necesaria para el diseño, por ejemplo, se puede determinar el número de tubos, las dimensiones de los tubos y los ángulos relativos de los tubos. El número de tubos en cada junta puede determinarse a partir del modelo de chasis, por ejemplo, una junta puede conectar 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 tubos. El diámetro y la forma de la sección transversal de cada tubo de conexión en la ubicación de la junta pueden determinarse a partir del modelo. Por ejemplo, una junta puede conectar un tubo cuadrado, un tubo redondo, un tubo ovalado, un tubo triangular, un tubo pentagonal, un tubo hexagonal o un tubo de forma irregular. Los tubos conectados a la junta pueden tener todos la misma forma de sección transversal o pueden variar. El diámetro del tubo de conexión se puede determinar a partir del modelo, un tubo de conexión puede tener un diámetro de al menos aproximadamente 0,15875 cm (1/16 in), 0,3175 cm (1/8 in), 0,635 cm (1/4 in), 1,27 cm (1/2 in), 2,54 cm (1 in), 5,08 cm (2 in), 7,62 cm (3 in), 10,16 cm (4 in), 12,7 cm (5 in), 25,4 cm (10 in), 38,1 cm (15 in) o 50,8 cm (20 in). Los tubos conectados a la junta pueden tener todos el mismo diámetro o el diámetro puede variar. Los ángulos relativos de los tubos en cada junta también se pueden determinar a partir del modelo de chasis.
Opcionalmente, un usuario puede diseñar una parte del diseño del chasis o proporcionar especificaciones para que el diseño cumpla. El programa informático ejecutado por uno o más procesadores puede diseñar el resto del chasis o proporcionar detalles para el chasis de acuerdo con la especificación. El procesador puede generar al menos una parte del diseño sin requerir ninguna intervención humana adicional. Cualquiera de las características descritas en el presente documento puede ser diseñada inicialmente por el programa informático, un usuario, o tanto el programa informático como el usuario.
También es posible determinar las ubicaciones de otros componentes estructurales, mecánicos, eléctricos y de fluidos a partir del programa informático de diseño estructural. Por ejemplo, la ubicación de los paneles de cizalladura, paneles estructurales, sistemas de choque, para el bloque motor, circuitos eléctricos y los pasajes de fluidos pueden determinarse mediante un programa informático de diseño estructural. El modelo de chasis se puede utilizar para definir el diseño de la junta, de modo que las juntas se puedan integrar con las ubicaciones de los componentes estructurales, mecánicos, eléctricos y de fluidos.
El modelo de chasis se puede utilizar para calcular la dirección y la magnitud del esfuerzo en cada junta. El esfuerzo se puede calcular utilizando un análisis de elementos finitos empleando un modelo de esfuerzo lineal o no lineal. El esfuerzo se puede calcular en las juntas mientras el chasis está parado o mientras el chasis se mueve a lo largo de una trayectoria típica, por ejemplo, a lo largo de una línea recta, de una trayectoria curva, a lo largo de una superficie lisa, a lo largo de una superficie accidentada, un terreno plano o un terreno montañoso. El esfuerzo calculado en la junta puede ser de cizalladura, de tracción, compresivo, esfuerzo de torsión o una combinación de tipos de esfuerzo. Las juntas pueden incluir características de diseño para soportar los esfuerzos calculados. Las características de diseño incluidas en la junta pueden configurarse para cumplir con un estándar de seguridad específico. Por ejemplo, la junta puede configurarse para soportar el esfuerzo calculado dentro de un factor de seguridad de al menos 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50. Las juntas pueden diseñarse para soportar tubos sobre un bastidor que pueda vibrar o sufrir golpes o impactos. Por ejemplo, el chasis de un vehículo se puede conducir por una carretera y puede experimentar vibraciones a largo plazo. Las juntas pueden resistir las fuerzas y esfuerzos ejercidos sobre la junta causadas por las vibraciones durante un largo período de tiempo. En otro ejemplo, un vehículo puede sufrir un impacto si el vehículo choca contra otro objeto. Las juntas pueden diseñarse para resistir el impacto. En algunos ejemplos, las juntas pueden diseñarse para resistir el impacto hasta un cierto grado predeterminado. Opcionalmente, puede ser deseable que las juntas se deformen o alteren su configuración más allá del grado predeterminado y absorban el impacto. Las juntas pueden diseñarse para cumplir con varias especificaciones y criterios de bastidor. En algunos casos, las juntas pueden diseñarse para formar un chasis que cumpla con los requisitos de seguridad estatales o nacionales para vehículos comerciales y/o de consumo.
El diseño final de la junta puede estar determinado por los requisitos de forma y dimensión del tubo, ubicación de los componentes estructurales, mecánicos, eléctricos y de fluidos integrados, así como el tipo y la magnitud del esfuerzo calculado, junto con las especificaciones de rendimiento. La FIG. 3 muestra un diagrama de cómo se puede desarrollar un modelo informático de una junta que cumpla con las especificaciones necesarias en un programa de programa informático en un dispositivo 301. El dispositivo puede comprender un procesador y/o una memoria. La memoria puede comprender medios legibles por ordenador no transitorios que comprenden código, lógica, o instrucciones para realizar una o más etapas, como las etapas de diseño o los cálculos. El procesador puede configurarse para realizar las etapas de acuerdo con los medios legibles por ordenador no transitorios. El dispositivo puede ser un ordenador de escritorio, un teléfono móvil, un teléfono inteligente, una tableta, un portátil, un servidor, o cualquier otro tipo de dispositivo informático. El dispositivo puede estar en comunicación con una impresora 3D 302. La impresora 3D 302 puede imprimir la junta de acuerdo con el diseño desarrollado en el programa informático. La impresora 3D se puede configurar para generar un objeto mediante fabricación aditiva y/o sustractiva. La impresora 3D se puede configurar para formar un objeto metálico, de compuesto o polimérico. La impresora 3D puede ser una impresora de sinterización láser de metal directo (DMLS), una impresora de fusión por haz de electrones (EBM), una impresora de modelado de deposición fundida (FDM) o una impresora Polyjet. La impresora 3D puede imprimir juntas de titanio, aluminio, acero inoxidable, plásticos estructurales o cualquier otro material estructural.
La impresión en 3D puede comprender un proceso de hacer una estructura tridimensional basada en un modelo informático o electrónico como entrada. La impresora 3D puede emplear cualquier técnica de impresión conocida, incluida la deposición por extrusión, unión granular, laminación o estereolitografía. La técnica general de impresión en 3D puede implicar dividir el diseño del objeto tridimensional en una serie de capas digitales que la impresora luego formará capa por capa hasta completar el objeto. Las juntas pueden imprimirse capa por capa y pueden adaptarse a una amplia gama de diseños geométricos y características detalladas, que pueden incluir características internas y externas.
Las juntas impresas en 3D se pueden ensamblar con los tubos para formar una estructura de bastidor. El diseño puede ser flexible para adaptarse a cambios de diseño tardíos. Por ejemplo, si se agrega un tubo de soporte al diseño al final del proceso de diseño, se pueden imprimir juntas adicionales rápidamente y a bajo coste para alojar el tubo de soporte adicional. El método de utilizar un modelo informático en comunicación con una impresora 3D para generar juntas puede permitir la producción rápida de una amplia gama de geometrías a bajo coste.
La FIG. 4 muestra un diagrama de flujo detallado del método descrito anteriormente. Las etapas descritas se proporcionan solo a modo de ejemplo. Es posible que se omitan algunas etapas, que se lleven a cabo con otro orden o que se cambien por otras etapas. Cualquiera de las etapas se puede realizar automáticamente con la ayuda de uno o más procesadores. Las una o más etapas pueden realizarse o no con la intervención del usuario. El proceso comienza con la etapa 401, que implica elegir un diseño de bastidor, como un diseño de chasis, el diseño puede elegirse de una biblioteca de diseños almacenados o puede ser un nuevo diseño desarrollado para un proyecto específico.
Una vez elegido el diseño, las siguientes etapas son 402a, 402b, 402c y/o 402d, lo que puede incluir el cálculo de necesidades estructurales o especificaciones para las juntas del bastidor. Las etapas 402a-d se pueden completar en cualquier orden, pueden llevarse a cabo todas las etapas 402a-d o pueden producirse solo algunas de las etapas. La etapa 402a implica calcular la carga estructural en cada junta. La carga estructural puede determinarse mediante un método de elementos finitos y puede incluir la dirección y la magnitud de los esfuerzos de cizalladura, esfuerzos compresivos, esfuerzos de tensión, esfuerzo de torsión o cualquier combinación de esfuerzos. Los esfuerzos se pueden calcular asumiendo que el vehículo está en movimiento o asumiendo que el vehículo está parado. Esto también puede incluir el cálculo de las especificaciones de rendimiento, como la seguridad, fabricación, especificaciones de durabilidad. La etapa 402b consiste en mapear las rutas eléctricas y de fluidos por todo el vehículo. Los ejemplos de conductos de fluidos pueden incluir refrigerante, lubricación, ventilación, aire acondicionado y/o calefacción por conductos. Los ejemplos de sistemas eléctricos que pueden requerir enrutamiento eléctrico desde una fuente a un sistema pueden incluir sistemas de audio, sistemas de iluminación interior, sistemas de iluminación exterior, componentes de encendido del motor, sistemas de navegación a bordo y sistemas de control. La etapa 402c es la determinación del ángulo del tubo, forma y tamaño en cada junta. En la etapa 402d se mapean los componentes estructurales tales como conexiones de panel y suspensión.
Después del cálculo de las necesidades/especificaciones de la junta en las etapas 402a-d, el miembro de junta puede diseñarse para adaptarse a las necesidades/especificaciones de la junta en las etapas 403a-d. El método de diseño de juntas puede comprender las etapas 403a-d. Las etapas 403a-d se pueden completar en cualquier orden, pueden llevarse a cabo todas las etapas 403a-d o pueden producirse solo algunas de las etapas. El perfil de esfuerzo conocido en cada junta puede determinar el espesor de pared de la junta, el material de la junta, o las características de centrado necesarias para imprimir en la junta 403a. Después de que se mapeen las rutas de fluido y eléctricas, las características internas de enrutamiento correspondientes pueden diseñarse para imprimirse en las juntas 403b. La junta puede tener características internas de enrutamiento separadas para las vías de paso de fluido y eléctricas o la junta puede tener una característica de enrutamiento compartida por los conductos de fluidos y eléctricos. Después de determinar el ángulo del tubo, forma y tamaño, la junta puede diseñarse 403c de modo que pueda alojar los tubos necesarios cumpliendo con las otras especificaciones. Usando el mapa determinado en 402d, las ubicaciones de las características de conexión integradas están diseñadas para imprimirse en las juntas 403d. Estas etapas de diseño pueden ocurrir en secuencia o en paralelo. Las diversas necesidades de diseño de juntas se pueden considerar en combinación al diseñar la junta para su impresión. En algunos ejemplos, el proceso de impresión en 3D también puede considerarse en el diseño de la junta.
En la etapa final 404 se produce un conjunto de juntas impresas para su uso en el conjunto de bastidor elegido en 401. Las juntas impresas pueden imprimirse en 3D de acuerdo con la junta diseñada utilizando las consideraciones colectivas de las etapas 403a-d. Las juntas impresas se pueden utilizar para completar el montaje del chasis.
El método de impresión en 3D descrito en el presente documento adaptado para fabricar juntas para conectar tubos puede reducir el tiempo requerido para ensamblar un chasis. Por ejemplo, el tiempo total para diseñar y construir un chasis puede ser menor o igual a aproximadamente 15 min, 30 min, 45 min, 1 hora, 2 horas, 3 horas, 4 horas, 5 horas, 6 horas, 7 horas, 8 horas, 9 horas, 10 horas, 12 horas, 1 día, 2 días, 3 días, 4 días, 5 días, 6 días, 1 semana, 2 semanas, 3 semanas, 4 semanas o 1 mes. En algunos ejemplos, la impresión de una junta en sí puede tardar menos de o aproximadamente 1 minuto, 3 min, 5 min, 10 min, 15 min, 20 min, 30 min, 40 min, 50 min, 1 hora, 1,5 horas, 2 horas, 2,5 horas o 3 horas. El tiempo necesario para ensamblar un chasis puede reducirse porque el método de impresión en 3D puede requerir menos herramientas que un método de fabricación típico. En el método descrito en el presente documento, una sola herramienta (por ejemplo, una impresora 3D) puede configurarse para fabricar una pluralidad de juntas con diferentes especificaciones (por ejemplo, tamaños/formas). Por ejemplo, se puede imprimir una serie de juntas utilizando una sola impresora 3D que tienen el mismo diseño. En otro ejemplo, se puede imprimir una serie de juntas con una sola impresora 3D, la serie de juntas que tienen diferentes diseños. Los diferentes diseños pueden pertenecer todos al mismo conjunto de bastidor o pueden imprimirse para diferentes conjuntos de bastidor. Esto puede proporcionar un mayor grado de flexibilidad en la programación de trabajos de impresión conjunta en un sitio y puede permitir que un fabricante optimice la producción de juntas para cumplir con los objetivos especificados. En algunos casos, la impresora 3D se puede dimensionar y moldear de modo que se pueda transportar a un lugar donde se está construyendo un vehículo. Asimismo, la impresión en 3D puede aumentar el control de calidad o la consistencia de las juntas.
El proceso de fabricación descrito por la FIG. 4 puede reducir el tiempo y los gastos de fabricación. El tiempo y/o los gastos de fabricación se pueden reducir reduciendo el número de herramientas necesarias para formar una o más juntas. Todas las juntas se pueden formar con una sola también, la impresora 3D. De manera similar, el tiempo y/o los gastos de fabricación pueden reducirse mediante un mayor nivel de control de calidad en comparación con otras técnicas de fabricación que proporciona la impresora 3D. Por ejemplo, el coste de producir juntas utilizando el método descrito anteriormente puede reducir los costes de fabricación en al menos un 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 % o 90 % en comparación con otros métodos. El uso de la impresión en 3D para la fabricación de juntas para conectar tubos en un bastidor espacial permite que cada junta tenga diferentes formas y dimensiones sin requerir moldes o herramientas independientes para cada junta. El proceso de impresión en 3D para juntas se puede escalar fácilmente.
En la FIG. 5, se muestra un ejemplo de una junta que se puede fabricar usando el método de impresión en 3D descrito. La junta mostrada en la FIG. 5 tiene una porción de cuerpo 501 y tres orificios de aceptación 502 que salen del cuerpo de junta. Los orificios de aceptación 502 pueden ser ubicaciones para acoplarse con un tubo de conexión. Los orificios aceptores pueden acoplarse con un tubo de conexión insertándose en una porción interior del tubo de conexión y/o superponiendo una superficie exterior del tubo de conexión. Los orificios de aceptación sobresalientes pueden tener cualquier ángulo entre sí en el espacio tridimensional. El ángulo de los orificios entre sí puede estar determinado por el diseño del chasis. En algunos ejemplos, pueden proporcionarse tres o más orificios. Los tres o más orificios pueden o no ser coplanarios. Los orificios pueden aceptar tubos redondos, cuadrados, ovalados o de forma irregular. Diferentes formas/dimensiones de sección transversal para conectar tubos, orificios pueden configurarse para alojar las diferentes formas/dimensiones de los tubos, los propios orificios pueden tener diferentes formas/dimensiones de sección transversal. Los orificios pueden ser redondos, cuadrados, ovales o de forma irregular.
El saliente 502 puede diseñarse de modo que pueda insertarse en un tubo de conexión. El grosor de la pared del saliente de la junta puede imprimirse de modo que la junta sea capaz de soportar la carga estructural calculada por un modelo de elementos finitos para el diseño completo del chasis. Por ejemplo, una junta que necesita soportar una carga de gran magnitud puede tener una pared más gruesa que una junta que soporta una carga más pequeña.
La FIG. 6 muestra una junta 601 que se conecta con tres tubos 602a-c. La figura muestra cómo se puede diseñar la junta para conectar tubos en diferentes ángulos. Los ángulos entre un conjunto de tubos que se conectan a una junta pueden ser iguales o no iguales. En el ejemplo que se muestra en la FIG. 6, dos de los ángulos están etiquetados, el ángulo entre el tubo 602a y 602b está etiquetado como 603 y el ángulo entre los tubos 602b y 602c está etiquetado como 604. En la FIG. 6, los ángulos 603 y 604 no son iguales. Los valores posibles para 603 y 604 pueden ser al menos 1°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°, 120°, 135°, 150°, 165° o 180°.
Las juntas pueden imprimirse con cualquier número de orificios aceptores que sobresalgan para acoplarse con un tubo de conexión. Por ejemplo, la junta puede tener al menos uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, doce, quince, veinte, treinta o cincuenta orificios de aceptación o puntas. La junta puede tener menos de cualquiera de los orificios de aceptación descritos en el presente documento. La junta puede tener un número de orificios de aceptación que se encuentre en un intervalo entre dos de los valores descritos en el presente documento. La FIG. 7 muestra un ejemplo de una junta con cinco salientes. Asimismo, los salientes pueden tener diámetros iguales o no iguales. Por ejemplo, la FIG. 8 muestra una junta 801 diseñada para aceptar tubos de diferentes diámetros con un tubo más pequeño aceptado en el orificio superior 802 y tubos más grandes aceptados en los orificios inferiores 803. En otro ejemplo, diferentes orificios en la misma junta pueden aceptar tubos con una relación de diámetro entre diferentes tubos de 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 2:3, 2:5, 2:7, 3:5 o 3:7. En el caso de tubos no redondos, el diámetro podría representarse mediante la escala de longitud fundamental relevante, por ejemplo, longitud lateral en el caso de un tubo cuadrado. Adicionalmente, los tubos con diferentes formas de sección transversal pueden encajarse en diferentes orificios en la misma junta. Por ejemplo, una junta puede tener salientes con todas o cualquier combinación de forma redonda, oval, cuadrada, rectangular o irregular. En otras implementaciones, una sola junta puede tener salientes con diámetros iguales y/o la misma forma. La impresión en 3D de la junta puede adaptarse a esta amplia gama de configuraciones de junta.
La junta se puede imprimir de modo que comprenda una región de saliente configurada para encajar dentro de un tubo de conexión y un labio para encajar sobre el tubo de conexión. La protuberancia de la junta configurada para encajar dentro del tubo de conexión puede imprimirse de modo que se pueda formar una región anular entre la superficie de saliente y el diámetro interior del labio.
El método de impresión en 3D descrito en el presente documento puede permitir la inclusión de características estructurales finas que pueden ser imposibles o descartarse por el coste usando otros métodos de fabricación. Por ejemplo, las características de centrado pueden imprimirse en la región de saliente de la junta. Las características de centrado pueden ser protuberancias elevadas u otras formas en un patrón regular o irregular en el saliente de la junta. Las características de centrado pueden centrar el saliente de la junta dentro de un tubo de conexión cuando se ensamblan una junta y un tubo. Si se coloca adhesivo entre la protuberancia de la junta y el tubo de conexión, las características de centrado pueden crear vías de paso de fluido para extender el adhesivo en un grosor o ubicación deseados. En otro ejemplo, las boquillas se pueden imprimir en las juntas. Las boquillas pueden proporcionar orificios de inyección o de vacío para la introducción de adhesivo en un espacio entre una protuberancia de la junta y un tubo de conexión. En algunos casos, las características de centrado pueden promover una distribución uniforme del adhesivo en el espacio entre el saliente de la junta y el tubo de conexión, como se describe en detalle en otra parte de este documento.
Las características de centrado pueden comprender un patrón elevado impreso en el saliente de la junta diseñado para encajar dentro de un tubo de conexión. Las características de centrado pueden estar impresas en el saliente de la junta cuando se formó originalmente el saliente o pueden estar impresas en el saliente de la junta algún tiempo después de que se haya diseñado la junta. La característica de centrado puede elevarse desde una superficie exterior de un saliente del orificio aceptor (región de acoplamiento del tubo). La altura de una característica de centrado elevada puede ser de al menos 0,00254 cm (0,001 in), 0,0127 cm (0,005 in), 0,01524 cm (0,006 in), 0,01778 cm (0,007 in), 0,02032 cm (0,008 in), 0,02286 cm (0,009 in), 0,0254 cm (0,010 in), 0,0508 cm (0,020 in), 0,0762 cm (0,030 in), 0,1016 cm (0,040 in) o 0,127 cm (0,050 in). Las características de centrado pueden imprimirse preferiblemente en la región del saliente configurada para encajar dentro del tubo de conexión como se muestra en las FIG. 9a-d. En una realización alternativa, las características de centrado se pueden imprimir en la región del labio en la junta configurada para encajar sobre el diámetro exterior del tubo de conexión además o en lugar de imprimir las características de centrado en la región de acoplamiento del tubo. Las características de centrado se pueden imprimir en cualquiera o en ambos, el saliente configurado para encajar dentro del tubo de conexión y la región del labio en la junta configurada para encajar sobre el diámetro exterior del tubo de conexión.
Las FIG. 9a-d muestran vistas detalladas de cuatro posibles realizaciones de características de centrado de juntas. La FIG. 9a muestra una característica de centrado de protuberancia pequeña 901, esta característica comprende un patrón de puntos elevados en una región de acoplamiento del tubo del saliente de la junta. Una región de acoplamiento del tubo del saliente de la junta puede ser una porción del saliente de la junta configurada para entrar en contacto con una superficie del tubo. La región de acoplamiento del tubo puede configurarse para insertarse en el tubo. Los puntos se pueden proporcionar en una o más filas o columnas, o en filas y/o columnas escalonadas. Los puntos elevados pueden tener un diámetro de al menos 0,00254 cm (0,001 in), 0,0127 cm (0,005 in), 0,01524 cm (0,006 in), 0,01778 cm (0,007 in), 0,02032 cm (0,008 in), 0,02286 cm (0,009 in), 0,0254 cm (0,010 in), 0,0508 cm (0,020 in), 0,0762 cm (0,030 in), 0,1016 cm (0,040 in) o 0,127 cm (0,050 in).
La FIG. 9b muestra una característica de centrado de trayectoria en espiral 902, esta característica comprende una línea continua elevada que se enrolla alrededor de toda la longitud de la región de acoplamiento del tubo del saliente de la junta. La línea continua elevada puede envolverse alrededor del saliente de la junta del tubo una o varias veces. Diseños alternativos pueden comprender características de centrado con una característica de centrado en espiral elevada que no envuelve todo el diámetro de la región de acoplamiento del tubo. En realizaciones alternativas, la característica de centrado en espiral puede enrollarse alrededor de 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90°, 100°, 110°, 120°, 130°, 140°, 150°, 180°, 190°, 200°, 210°, 220°, 230°, 240°, 250°, 260°, 270°, 280°, 290°, 300°, 310°, 320°, 330°, 340°, 350° o de 360° completos de la circunferencia de la región de acoplamiento. La característica de centrado puede comprender además múltiples líneas elevadas que se enrollan alrededor de toda la longitud del tubo sin intersecarse de manera similar a las roscas de tornillo de arranque múltiple.
La FIG. 9c muestra una característica de centrado de laberinto 903, esta característica comprende líneas discontinuas elevadas que circunscriben la región de acoplamiento del tubo de la junta en un ángulo de 90 grados con respecto a la dirección de la longitud del saliente de la junta. Las líneas discontinuas adyacentes en la característica de centrado de laberinto se organizan en un patrón escalonado. Pueden proporcionarse múltiples filas de líneas discontinuas. Las líneas discontinuas pueden ser sustancialmente paralelas entre sí. Como alternativa, pueden proporcionarse ángulos variables.
La FIG. 9d muestra una característica de centrado de hélice interrumpida 904, esta característica comprende líneas discontinuas elevadas que circunscriben la región de acoplamiento del tubo de la junta en un ángulo de 45 grados con respecto a la dirección de la longitud de la región de acoplamiento del tubo. En otro ejemplo, la característica de centrado podría tener una línea elevada que circunscribe la región de acoplamiento del tubo en un ángulo de 1°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°, 120°, 135°, 150°, 165° o 180°. Las líneas discontinuas en las características de centrado mostradas en la FIG. 9c y en la FIG. 9d pueden tener una longitud de al menos 0,005 ", 0,006 ", 0,007 ", 0,008 ", 0,009 ", 0,010 ", 0,020 ", 0,030 ", 0,040 ", 0,050 " o 0,100 ".
Pueden usarse otros patrones además de los descritos en las FIG. 9a-FIG. 9d. Los patrones alternativos pueden incluir líneas discontinuas en ángulos irregulares o en un espaciado irregular, una combinación de líneas y puntos, o un grupo de líneas sólidas que se enrollan alrededor de la región de acoplamiento con un espaciado uniforme o no uniforme entre las líneas. En algunos ejemplos, las características de centrado se pueden diseñar de modo que no se pueda dibujar una línea recta directa desde un extremo distal de un saliente interno al extremo proximal sin intersecar una o más características de centrado. Esto puede obligar al adhesivo a tomar una trayectoria más indirecta y fomentar la propagación del adhesivo, como se describe más adelante en el presente documento. Como alternativa, puede proporcionarse una línea recta desde un extremo distal a un extremo proximal del saliente interno sin intersecar una o más características de centrado.
Las características de centrado se pueden imprimir en el saliente de junta con diferentes densidades. Por ejemplo, se puede imprimir un saliente de junta de manera que el 90 % del saliente esté cubierto con características de centrado elevadas. En el caso con una cobertura de características de centrado del 90 %, las características pueden estar estrechamente espaciadas. Como alternativa, las características de centrado pueden cubrir al menos el 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 % o 95 % del saliente. Las características de centrado pueden cubrir menos que cualquiera de los porcentajes descritos en el presente documento. Las características de centrado pueden estar dentro de un intervalo entre dos de los valores porcentuales descritos en el presente documento. La densidad de las características de centrado impresas en las juntas se puede elegir para proporcionar una característica estructural determinada a partir del modelo del chasis.
Las características de centrado pueden elevarse de manera que un conjunto de junta/tubo comprenda espacio entre una superficie interna del tubo de conexión y la superficie del saliente de la junta diseñado para entrar en un tubo de conexión. La tolerancia entre el diámetro del tubo interno y el saliente puede ser tal que la junta y el tubo formen una conexión de encaje forzado. En el caso de una conexión de encaje forzado, las características de centrado pueden deformarse o no con la inserción del tubo en la junta. Las características de centrado pueden centrar el saliente de la junta dentro de un tubo de conexión de tal manera que la distancia entre la superficie interna del tubo de conexión y la superficie del saliente de la junta puede tener un espesor radial uniforme. Como alternativa, las características de centrado pueden fomentar una distribución no uniforme del espacio entre el saliente de la junta y el tubo de conexión.
Se pueden imprimir diferentes características de centrado en diferentes juntas en la misma estructura de chasis. Se pueden imprimir diferentes características de centrado en diferentes salientes de juntas en la misma junta. Las características de centrado impresas en un saliente de la junta se pueden elegir de modo que la junta soporte un perfil de esfuerzo determinado por un análisis de elementos finitos realizado en la estructura del chasis. Un ejemplo de un método para determinar una característica de centrado para imprimir en una junta se muestra en la FIG. 10. En este método, la primera etapa 1001 es determinar la carga o el esfuerzo en un saliente de junta. El esfuerzo se puede calcular utilizando un análisis de elementos finitos empleando un modelo de esfuerzo lineal o no lineal. El esfuerzo se puede calcular en las juntas mientras el chasis está parado o mientras el chasis se mueve a lo largo de una trayectoria típica, por ejemplo, a lo largo de una línea recta, de una trayectoria curva, un terreno plano o un terreno montañoso. El esfuerzo calculado en la junta puede ser de cizalladura, de tracción, compresivo, esfuerzo de torsión o una combinación de tipos de esfuerzo. La siguiente etapa en el método mostrado en la FIG. 10 es elegir una característica de centrado que proporcionará un soporte estructural óptimo para el esfuerzo determinado o el perfil de carga 1002. La elección de una función de centrado puede implicar la elección de cualquier combinación de patrón, dimensión y densidad de una posible función de centrado. La etapa final del proceso puede ser imprimir la función de centrado en la junta.
Por ejemplo, una junta que se espera que experimente una fuerza de tensión de gran magnitud puede imprimirse con una característica de centrado de saliente pequeño, de modo que se maximice el área de contacto adhesivo entre la junta y el tubo. En otro ejemplo, una junta que se espera que experimente una tensión de torsión en el sentido de las agujas del reloj puede imprimirse con una característica de centrado en espiral en el sentido de las agujas del reloj para proporcionar resistencia a la fuerza de torsión.
La dimensión y densidad de las características de centrado también pueden elegirse de modo que la junta soporte un perfil de esfuerzo determinado por un análisis informático y/o empírico realizado en la estructura del chasis. La altura de la característica de centrado puede dictar el volumen del anillo formado entre la superficie del saliente de la junta y el diámetro interior de un tubo de conexión. El volumen del anillo se puede llenar con adhesivo cuando se ensamblan la junta y el tubo. La altura de la característica de centrado se puede elegir de modo que el volumen de adhesivo se optimice para soportar el esfuerzo o carga esperada en la junta. La densidad de las características de centrado también puede alterar el volumen de la región anular. Por ejemplo, una junta con una alta densidad de características de centrado puede tener un volumen menor en la región anular en comparación con una junta con una densidad escasa de características de centrado. La densidad de la característica de centrado puede elegirse de modo que el volumen de adhesivo se optimice para soportar el esfuerzo o carga esperada en la junta.
Las boquillas para la conexión de tubos de inyección o de vacío se pueden imprimir directamente en la junta. Las boquillas se pueden imprimir en la junta en el momento en que se imprime la junta, de modo que la junta y las boquillas se puedan tallar del mismo material a granel. Como alternativa, las boquillas pueden imprimirse por separado y agregarse a la junta después de imprimirse. Las boquillas pueden tener delicadas vías de paso internas que pueden ser imposibles de lograr con métodos de fabricación distintos a la impresión en 3D. En algunos casos, se puede suministrar fluido a un espacio anular entre la región de recepción del tubo del saliente y un diámetro interior de un tubo unido al saliente a través de la boquilla y/o las vías de paso internas en comunicación fluida con el pezón. El fluido puede ser un adhesivo. El adhesivo se puede succionar o empujar hacia la región anular a través de las boquillas impresas. Las boquillas se pueden colocar en lados opuestos de la junta para distribuir el adhesivo de manera uniforme. Se pueden unir dos o más boquillas a la junta de forma simétrica o asimétrica. Por ejemplo, se pueden proporcionar circunferencialmente opuestos entre sí en un orificio de aceptación de una junta. Se pueden proporcionar en o cerca de un extremo proximal de un orificio de aceptación para una junta. Como alternativa, se pueden proporcionar en o cerca de un extremo distal de un orificio de aceptación de la junta, o cualquier combinación de los mismos. Una junta puede tener al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 o 20 boquillas en cada saliente.
Las boquillas se pueden colocar lejos de, muy cerca de, o coaxialmente con, una característica de la junta interna tal como la vía de paso de fluido dentro de una pared del saliente de la junta interna que puede proporcionar un revestimiento adhesivo uniforme. La FIG. 11 muestra una sección transversal de un ejemplo de un saliente de junta con boquillas 1101 que se conectan a una vía interna de paso de fluido 1102 dentro de la pared del saliente de junta. La vía interna de paso se puede imprimir en la pared lateral de la junta. La vía interna de paso puede tener una salida 1103 hacia la región anular. La vía interna de paso puede introducir líquido (por ejemplo, adhesivo) en la región anular. La vía interna de paso puede tener una sección transversal redonda, una sección transversal cuadrada, una sección transversal ovalada, o una sección transversal de forma irregular. El diámetro de la vía interna de paso puede ser de al menos 0,0254 cm (1/100 in), 0,0396875 cm (1/64 in), 0,0508 cm (1/50 in), 0,079375 cm (1/32 in), 0,15875 cm (1/16 in), 0,3175 cm (1/8 in), 0,635 cm (1/4 in), 1,27 cm (1/2 in). Si la vía interna de paso de fluido tiene una sección transversal no redonda, los diámetros enumerados pueden corresponder a una escala de longitud fundamental relevante de la sección transversal. La vía de paso de fluido puede extenderse a lo largo de todo el saliente de la junta o en cualquier fracción de la longitud.
Las boquillas pueden moldearse y configurarse para conectarse con equipos de inyección de vacío y/o presión. La impresión de boquillas directamente sobre la junta puede disminuir la necesidad de equipo para inyectar adhesivo en la región anular. Después de que se introduzca el adhesivo, las boquillas se pueden quitar de la junta cortando o fundiendo la boquilla de la junta.
Las características estructurales integradas pueden imprimirse directamente sobre o dentro de las juntas. Las características estructurales integradas pueden incluir tuberías de fluidos, cableado eléctrico, buses eléctricos, soportes de panel, soportes de suspensión o características de ubicación. Las características estructurales integradas pueden simplificar el diseño del chasis y disminuir el tiempo, la mano de obra, las partes y el coste necesarios para construir la estructura del chasis. La ubicación de las características estructurales integradas en cada junta puede ser determinada por el modelo de chasis y el programa informático puede comunicarse con una impresora 3d para fabricar cada junta con las características estructurales integradas necesarias para un diseño de chasis elegido.
Las juntas se pueden imprimir de manera que comprendan características de montaje para paneles de cizalladura o paneles de carrocería de un vehículo. Las características de montaje en las juntas pueden permitir que los paneles se conecten directamente al bastidor del chasis de un vehículo. Las características de montaje en las juntas pueden diseñarse para emparejarse con características de emparejamiento complementarias en los paneles. Por ejemplo, las características de montaje en las juntas pueden ser pestañas con agujeros para hardware (por ejemplo, tornillos, pernos, tuercas o remaches), broches o pestañas diseñadas para soldadura o aplicación de adhesivo. Las FIG. 12ac muestran las características de las juntas diseñadas para la integración con otros sistemas a bordo de una estructura, tal como un vehículo. Las juntas pueden estar diseñadas para integrarse con paneles de cizalladura o paneles de carrocería de una estructura.
La FIG. 12a muestra una junta con una pestaña 1201. La pestaña 1201 puede usarse para conectarse a un panel de cizalladura o panel de carrocería (no mostrado). En el caso del uso de los miembros de junta para construir un chasis de vehículo, el miembro de junta puede integrarse con un sistema de suspensión. Un sistema de suspensión puede comprender amortiguadores hidráulicos, aire, de caucho o de resorte. El sistema de suspensión puede conectarse al miembro de junta mediante un dispositivo a una pestaña 1201. La pestaña se puede imprimir de manera que contenga al menos un orificio 1202 para acoplarse con los accesorios de conexión (por ejemplo, tornillo, clavo, remache).
Las juntas pueden imprimirse de manera que incluyan pasajes integrados para conexiones eléctricas. Las conexiones eléctricas integradas en las juntas pueden estar aisladas eléctricamente. Las conexiones eléctricas integradas en las juntas pueden estar conectadas a tierra. Las conexiones eléctricas integradas en las juntas pueden estar en comunicación con el cableado enrutado a través de los tubos conectados a la junta. El cableado eléctrico se puede usar para proporcionar energía a los sistemas a bordo de un vehículo y/o para proporcionar energía a una batería para arrancar o hacer funcionar el motor del vehículo. Los sistemas a bordo de un vehículo que usan energía de las juntas integradas pueden incluir, navegación, audio, visualización de vídeo, ventanillas eléctricas o ajuste eléctrico del asiento. La distribución de energía dentro de un vehículo puede viajar exclusivamente a través de una red de tubo/junta. La FIG. 12b muestra una posible realización de unta para el enrutamiento de cables eléctricos a través de una estructura. La junta mostrada en la FIG. 12b tiene una región de entrada 1203; esta entrada puede usarse para insertar conexiones eléctricas o cables. Los cables eléctricos pueden insertarse en la región de entrada y enrutarse desde la junta al tubo para su transmisión por todo el chasis. Uno o más sistemas que pueden alimentarse con los cables eléctricos pueden conectarse con el cable a través de la región de entrada. Las conexiones eléctricas integradas en las juntas pueden proporcionar complementos que permiten al usuario enchufar uno o más dispositivos para obtener energía para el dispositivo. En algunos casos, uno o más contactos eléctricos se pueden imprimir en las juntas antes, después o durante la impresión en 3D de las juntas.
Las juntas pueden imprimirse de modo que comprendan un sistema de fluido de calefacción y refrigeración integrado para proporcionar calor y aire acondicionado en el chasis del vehículo. Otras aplicaciones pueden incluir enfriar y/o calentar varios componentes del vehículo. La integración de sistemas de fluidos (por ejemplo, gas o líquido) en la construcción junta/tubo puede eliminar parcial o totalmente la necesidad de conductos de aire convencionales y de tuberías del diseño del vehículo. Las juntas pueden enrutar el fluido caliente o frío desde una fuente de producción (por ejemplo, un elemento de calentamiento eléctrico, un intercambiador de calor del bloque motor, un refrigerador, una unidad de aire acondicionado o una caldera) a una ubicación en el chasis en la que un pasajero u operario del vehículo pueda desear calentar o enfriar el interior. Las juntas pueden contener componentes integrados para tomar fluido caliente o frío de una fuente, distribuir fluido caliente o frío y ventilar fluido caliente o frío en una ubicación alejada de la fuente. Las juntas y los tubos del conjunto pueden aislarse térmicamente con fibra de vidrio, aislamiento de espuma, celulosa o lana de vidrio. El conjunto de junta y tubo puede ser hermético a los fluidos. En el caso de una junta que comprende un sistema de fluido integrado, se puede usar la realización de junta mostrada en la FIG. 12b. Puede usarse una entrada como la ilustrada en la figura 1203 para enrutar el fluido de calefacción o de refrigeración a través de una estructura mediante la canalización del fluido entre una pluralidad de juntas a través de los tubos conectores.
En la figura 12c se muestra una vista en sección transversal de una junta que puede usarse para el enrutamiento de fluido o electricidad. En el ejemplo mostrado en la FIG. 12c, dos salientes de junta están unidos por un pasaje interno 1204. En una realización, la junta de la FIG. 12c puede enrutar fluido o cableado desde la entrada en 1205 hasta la salida en 1206. Los pasajes usados para el enrutamiento de fluido y electricidad pueden ser los mismos pasajes o pueden estar separados. El enrutamiento interno de la junta puede mantener dos o más fluidos separados dentro de un nodo mientras proporciona el enrutamiento deseado entre los tubos, o desde el tubo hasta los conectores o características montados en el nodo.
Las juntas pueden imprimirse de manera que incluyan características integradas de localización o identificación. Las características pueden permitir la identificación o el manejo automatizado de las juntas durante el ensamblaje y el procesamiento. Ejemplos de características de ubicación pueden incluir un abultamiento cilíndrico (por ejemplo, un abultamiento con una acanaladura plana y radial), una forma de C extrudida con una tapa, una bayoneta o un accesorio de bayoneta inversa con un patrón de pasador no simétrico, una característica de gancho u otras características con geometría que puede definir de forma única la orientación y posición de la característica cuando se examina. Estas características de ubicación pueden interrelacionarse o agarrarse mediante pinzas robóticas o herramientas de trabajo de sujeción. La interfaz de la junta puede definirse completamente una vez que el movimiento de agarre comienza, está parcialmente terminado o está completo. Las características de ubicación pueden permitir la colocación repetible y opcionalmente automatizada de las juntas antes y durante el ensamblaje del bastidor espacial. La geometría definitoria de las características también puede permitir que los sistemas automatizados coordinen el movimiento de múltiples juntas a lo largo de trayectorias definidas en el espacio durante la inserción de tubos en las juntas. Se pueden insertar al menos dos tubos en múltiples juntas en paralelo sin que se produzca una unión geométrica durante el ensamblaje. La característica de ubicación integrada puede comprender además características de identificación integrales. Por ejemplo, las características de identificación pueden ser un código de barras unidimensional, un código QR bidimensional, un patrón geométrico tridimensional o una combinación de estos elementos. La característica de identificación puede codificar información sobre la junta a la que está unida. Esta información de la junta puede incluir: la geometría de la junta, incluyendo la orientación de las entradas del tubo en relación con la característica de identificación/ubicación; el material de la junta; la colocación de los orificios de inyección de adhesivo y de vacío en relación con las características de identificación/ubicación; el adhesivo requerido por la junta; y el diámetro de los tubos de la junta. La característica combinada de identificación/ubicación puede permitir la colocación automatizada de juntas para el ensamblaje sin requerir que se suministre información externa a la celda de ensamblaje automatizado.
Cualquiera de las características descritas en el presente documento puede imprimirse con el resto de la junta. Por ejemplo, toda la junta, incluidas las diversas características descritas en el presente documento (p. ej., funciones de centrado, boquillas, pasajes, etc.) se puede imprimir en una sola etapa y formar un solo material integral. Como alternativa, se pueden imprimir características específicas en un componente de junta preexistente. Por ejemplo, una característica central puede imprimirse en un orificio aceptor existente.
El método de impresión en 3D de fabricación de juntas puede ser un proceso de fabricación de alta eficiencia. Se puede configurar un solo conjunto de equipos para generar una variedad de geometrías de juntas con diferentes características detalladas. La producción puede tener requisitos de tiempo y coste más bajos en comparación con los métodos de fabricación tradicionales, además, el proceso se puede escalar fácilmente desde una producción de pequeño volumen a una producción de gran volumen. El proceso puede proporcionar un control de calidad superior sobre los métodos de fabricación tradicionales, lo que puede reducir el desperdicio asociado con las piezas deformadas y el tiempo necesario para volver a fabricar las piezas que pueden no cumplir con un estándar de control de calidad.
Aunque en el presente documento se han mostrado y descrito las realizaciones preferidas de la presente invención, será obvio para los expertos en la materia que tales realizaciones se proporcionan solo a modo de ejemplo. No se pretende que la invención esté limitada por los ejemplos específicos proporcionados dentro de la memoria descriptiva. Aunque la invención se ha descrito con referencia a la memoria descriptiva mencionada anteriormente, las descripciones e ilustraciones de las realizaciones en el presente documento no deben interpretarse en un sentido limitante. Los expertos en la materia pueden producir numerosas variaciones, cambios, y sustituciones se producirán ahora para los expertos en la técnica sin apartarse del chasis de vehículo reivindicado. Asimismo, debe entenderse que todos los aspectos de la invención no se limitan a las representaciones, configuraciones o proporciones relativas específicas expuestas en el presente documento que dependen de una variedad de condiciones y variables. Se entenderá que varias alternativas a las realizaciones de la invención descritas en el presente documento pueden emplearse en la práctica de la invención. Por lo tanto, se contempla que la invención también cubra tales alternativas, modificaciones, variaciones o equivalentes. Se entiende que las siguientes reivindicaciones definen el alcance de la invención y que el chasis de vehículo dentro del alcance de estas reivindicaciones y sus equivalentes será cubierto de ese modo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un chasis de vehículo que comprende:
una pluralidad de tubos de conexión; y
una pluralidad de miembros de junta preformados, cada miembro de junta dimensionado y conformado para acoplarse con al menos un subconjunto de la pluralidad de los tubos de conexión en la pluralidad de tubos de conexión para formar una estructura de bastidor tridimensional, en donde cada miembro de junta de la pluralidad de miembros de junta está dimensionado y conformado de modo que el miembro de junta entre en contacto con una superficie interior y una superficie exterior de un tubo de conexión cuando el tubo de conexión se acopla con el miembro de junta y en donde al menos un miembro de junta de la pluralidad de miembros de junta comprende características internas de enrutamiento configuradas para proporcionar una red de pasajes,
en donde la pluralidad de miembros de junta comprende características de montaje, proporcionando las características de montaje monturas de panel para el montaje de paneles en la estructura de bastidor tridimensional.
2. El vehículo según la reivindicación 1, en donde la red de pasajes proporciona el transporte de fluido a través del chasis de vehículo cuando se forma la estructura de bastidor tridimensional.
3. El vehículo según la reivindicación 1, en donde la red de pasajes proporciona el transporte de electricidad a través de componentes eléctricos en todo el chasis de vehículo cuando se forma la estructura de bastidor tridimensional.
4. El chasis de vehículo según la reivindicación 1, en donde al menos uno de la pluralidad de miembros de junta comprende una o más boquillas.
5. El chasis de vehículo según la reivindicación 4, en donde las una o más boquillas comprenden una vía de paso interna para la inyección de adhesivo o para la infusión de vacío.
6. El chasis de vehículo según la reivindicación 5, en donde el al menos uno de la pluralidad de miembros de junta comprende boquillas colocadas en lados opuestos del miembro de junta.
7. El chasis de vehículo según la reivindicación 5, en donde el al menos uno de la pluralidad de miembros de junta comprende un saliente configurado para encajar dentro de un tubo de conexión correspondiente.
8. El chasis de vehículo según la reivindicación 7, en donde las una o más boquillas están configuradas para conectarse con un equipo de inyección de presión para distribuir adhesivo a través de un orificio de inyección en un espacio entre el saliente y el tubo de conexión correspondiente.
9. El chasis de vehículo según la reivindicación 7, en donde el al menos uno de la pluralidad de miembros de junta comprende, además, un labio configurado para encajar sobre un diámetro exterior del tubo de conexión correspondiente.
10. El chasis de vehículo según la reivindicación 9, en donde se forma una región anular entre una superficie del saliente y un diámetro interior del labio.
11. El chasis de vehículo según la reivindicación 10, en donde las una o más boquillas están configuradas para permitir la inyección de adhesivo o la creación de vacío en la región anular.
12. El chasis de vehículo según la reivindicación 7, en donde una superficie del saliente comprende una pluralidad de características de centrado dispuestas sobre ella.
13. El chasis de vehículo según la reivindicación 12, en donde la pluralidad de características de centrado está configurada para crear vías de paso de fluido para extender el adhesivo inyectado a través de una de las boquillas.
14. El chasis de vehículo según la reivindicación 1, en donde al menos uno de la pluralidad de miembros de junta comprende características de montaje para paneles de cizalladura o paneles de carrocería.
15. El chasis de vehículo según la reivindicación 1, en donde las características de montaje comprenden una pestaña.
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