Design and Analysis of Active Cooled Brake Disc in Lattice Structure for Additive Manufacturing

Abstract

Otomotiv, havacılık ve raylı sistemlerde şüphesiz en önemli parçalarından biri fren diskleridir. İlk olarak 1950’li yıllarda kullanılmaya başlanılan diskli fren sistemleri günümüz teknolojisine gelene kadar birçok gelişme gösterse de hala geliştirilmesi devam eden sistemlerdir. Sürtünmeli fren sistemlerinde ısı açığa çıkar. Bu sıcaklık belli bir düzeyin üzerine çıktığında sürtünme elemanı olan balataların özellikleri sebebi ile sürtünme katsayıları azalır. Uzun frenleme (ağır tonajlı araçlarda yokuş aşağı ya da spor araçlarında zorlu parkurlarda) taşıtın durma mesafesini arttırmakta, fren ve teker grubu ekipmanlarının kullanım ömürlerinin azalmasına sebep olmaktadır. Bu sebepten hem sürüş emniyeti hem de taşıt güvenliği açısından fren soğutma yapısı önem arz etmektedir. Bu çalışmada, bir spor arabada kullanılmak üzere geleneksel imalat metotlarına göre tasarlanmış örnek bir fren diskinin soğutma performansının arttırılması ve ağırlık olarak hafifletilmesi için kafes yapı modelleme yaklaşımı uygulanmıştır. Tüm tasarım yaklaşımları, eklemeli imalat teknolojilerinin sunduğu yenilikçi imkân ve kabiliyetler göz önünde bulundurularak ele alınmıştır. İterasyonlar sonucu elde edilen model eklemeli imalat metotlarından seçici lazer ergitme yöntemi ile imal edilecek şekilde ele alındığında kütlece %20 daha hafif, Von-mises gerilmeleri bakımından da %35 daha düşük gerilmeye sahip bir model ortaya çıkmıştır. Ele alınan standart ve kafes yapıda disklere eşit ısı yüklemesinde standart disk yüzeyinde 440 ℃ sıcaklık bulunurken yapılan optimum tasarımda 213 ℃ sıcaklık belirlenmiştir.