Kako 3D tiskanje spreminja avtomobilsko proizvodnjo

Tehnologija 3D-tiskanja spodbuja spremembe v avtomobilski proizvodnji na več načinov - načrtovanje in validacija prototipov, proizvodna orodja,-proizvodnja delov za končno uporabo ter certificiranje procesov in materialov - in postopoma usmerja industrijo v smeri prihodnosti, kjer bo lahko celotno vozilo natisnjeno 3D. Tukaj je podrobnejši pogled:

Preverjanje prileganja in sestavljanja: Proizvajalci avtomobilov uporabljajo 3D-tiskanje za hitro izdelavo prototipov v -polnem obsegu - stranskih ogledal, na primer - z uporabo tehnologije FFF/FDM za cenovno ugodno preverjanje prileganja delov in izvedljivosti sestavljanja.

Validacija funkcionalnega prototipa: Za dele, ki potrebujejo visoko trdnost ali gladko površinsko obdelavo (kot so nosilci ali aerodinamični kompleti), tehnologije na osnovi smole- in prahu-, kot je selektivno lasersko sintranje (SLS), v kombinaciji s kompoziti ali najlonom, zagotavljajo, da prototip izpolnjuje zahteve glede zmogljivosti.

Polno-barvni prikazi modelov: Brizganje materiala in 3D brizgalne tehnologije se uporabljajo za izdelavo polno-barvnih konceptualnih modelov ali maket v merilu, ki podpirajo preglede oblikovanja in tržne predstavitve.

Validacija prototipa ni osamljen korak v procesu avtomobilskega razvoja -, ampak poteka skozi celoten razvojni cikel vozila. Od začetne konceptne skice do končne masovne proizvodnje gre avtomobil običajno skozi desetine, včasih tudi stotine ponovitev prototipa. Uvedba 3D tiskanja je bistveno spremenila delovanje tega procesa.

Pri tradicionalnem razvojnem modelu lahko izdelava prototipa z enim stranskim{0}}ogledalom pomeni kontaktiranje specializirane trgovine z orodjem, čakanje na tedne in plačilo na desettisoče dolarjev. Z namiznimi ali industrijskimi 3D-tiskalniki FFF/FDM lahko inženirji dobijo fizični del v urah do dnevu ali dveh, ga namestijo neposredno na vozilo za testiranje prileganja in preverijo, ali so razmiki pravilni, pritrdilne luknje poravnane in zunanja površina ustreza aerodinamičnim pričakovanjem. Ta hitra zanka "načrtovanje–tisk–preizkus–revizija" omogoča, da se napake v oblikovanju ujamejo in popravijo zgodaj v projektu, s čimer se izognemo ogromnim stroškom ponovnega dela, ki izhajajo iz odkritja težave šele po tem, ko je orodje že odrezano.

Za funkcionalne prototipe, ki zahtevajo višjo trdnost in kakovost površine - komponente ohišja, aerodinamični kompleti in podobno - SLS v kombinaciji z najlonom ali kompozitnimi materiali lahko proizvede dele z mehansko trdnostjo in dimenzijsko stabilnostjo, potrebnimi za strožjo validacijo, kot je testiranje v-vetrovniku ali preizkušanje utrujenosti, kar daje inženirjem podatke, ki natančno odražajo dejanske-pogoje uporabe pred formalno proizvodnjo se začne.

Polno-barvni konceptualni modeli, izdelani z brizganjem materiala in 3D brizgalno tehnologijo, medtem služijo drugačnemu namenu - podpirajo sestanke za pregled oblikovanja in tržne raziskave. Oblikovalci in vodstveni delavci lahko fizično držijo in pregledajo model v-polnem obsegu ali-pomanjšani,-barvni model-na sestanku-odločanja, namesto da se zanašajo zgolj na upodobitve ali-vizualne elemente na zaslonu -, kar bistveno izboljša kakovost komunikacije pri oblikovanju in-odločanja.

Lahka, ergonomska oblika: 3D natisnjene šablone in vpenjala so lažja in bolj ergonomična od tradicionalnih kovinskih orodij, kar zmanjšuje utrujenost operaterja in izboljšuje varnost v tovarni. BMW, na primer, uporablja 3D natisnjene ortopedske naprave za zmanjšanje obremenitve palca za delavce na liniji.

Prihranki pri stroških in času: izdelava tradicionalnih orodij lahko traja tedne in stane veliko, medtem ko lahko 3D-tiskanje orodja dostavi v nekaj dneh z veliko večjo geometrijsko svobodo in manj omejitvami pri oblikovanju končnega dela.

Kalupi in optimizacija topologije: kalupe za brizganje plastičnih delov in jedra za ulivanje kovin je mogoče 3D-natisniti s kompleksnimi geometrijami, ki podpirajo topološko-optimizirane oblike (kot so organske, biološko-navdihnjene oblike), ki zmanjšajo porabo materiala in hkrati ohranijo trdnost. GM in Volvo sta med drugim že sprejela ta pristop za skrajšanje dobavnih časov in znižanje stroškov.

V primerjavi z lastnimi komponentami vozila je uporaba 3D-tiskanja v proizvodnem orodju in proizvodnih pripomočkih pogosto spregledana -, vendar je njegov vpliv na dnevno učinkovitost obrata in dobro počutje delavcev enako globok. Na tradicionalnem tekočem traku delavci uporabljajo kovinske napeljave, ročna orodja in priprave za pozicioniranje sto ali tisočkrat na dan. Ponavljajoče se gibanje in teža kovinskega orodja lahko sčasoma povzročita sindrom karpalnega kanala, nateg palca in druge-poškodbe zaradi ponavljajoče se uporabe.

Po uvedbi prilagojenih 3D-natisnjenih ortopedskih pripomočkov in lahkih napeljav so BMW in drugi proizvajalci avtomobilov lahko večkrat zmanjšali težo orodij, hkrati pa so orodja oblikovali glede na posebno obliko dlani delavca in navade oprijema -, kar pomembno zmanjša utrujenost operaterja in zniža stopnjo poškodb na delovnem mestu. Primeri, kot je ta, kažejo, da vrednost, ki jo prinaša 3D-tiskanje, ni omejena na izboljšanje delovanja samih delov - neposredno koristi tudi ljudem, ki delajo na proizvodni liniji.

Na strani oblikovanja podjetja, kot sta GM in Volvo, uporabljajo 3D-tiskanje za izdelavo jeder za kalupe za brizganje, pri čemer uporabljajo algoritme za optimizacijo topologije za oblikovanje organskih, bio{1}}navdihnjenih geometrij, ki ohranjajo trdnost kalupa in življenjsko dobo, hkrati pa dramatično skrajšajo porabo materiala in čas proizvodnje. V primerjavi s tradicionalnimi jeklenimi orodji, katerih strojna obdelava lahko traja več mesecev, je mogoče 3D-natisnjene kalupe izdelati v dneh do tednih -, s čimer se občutno skrči proizvodni-časovni okvir pripravljenosti za nove komponente vozila in pospeši, kako hitro lahko nov model doseže trg.

Luksuzna vozila in proizvodnja po meri: blagovne-vrhunske znamke, kot sta Rolls-Royce in Porsche, uporabljajo 3D-tiskanje za izdelavo majhnih-serijskih delov po meri - notranjih gumbov, komponent parkirne zavore in podobnih kosov - za izpolnitev prilagojenih zahtev strank. BMW ponuja na desettisoče 3D-natisnjenih komponent za Phantoma, podjetja, kot je Ferrari, pa uporabljajo tehnologijo za hitro ponavljanje oblikovanja notranjosti.

Nadomestni deli na-zahtevo: Audi in drugi proizvajalci avtomobilov ponujajo 3D-natisnjene nadomestne dele za sedanje in starejše modele vozil, s čimer zmanjšajo stroške zalog in skrajšajo čas dobavne verige. Redke dele za klasične modele je na primer mogoče hitro izdelati iz digitalnih modelov, s čimer se izognete visokim stroškom tradicionalnega orodja.

Ena od temeljnih vrednostnih ponudb za znamke luksuznih avtomobilov je ponujanje strankam resnično edinstvene-{1}}-izkušnje. Kupci znamk, kot sta Rolls-Royce in Porsche, so pogosto pripravljeni plačati več za zelo prilagojene podrobnosti notranjosti - notranji gumb z vgraviranim monogramom stranke, na primer, ali ročno zavoro, oblikovano po lastnih željah. Izdelava ločenega kalupa za vsako posamezno stranko pri tradicionalni proizvodnji očitno ni realna - stroški in čas preprosto ne delujejo.

3D-tiskanje rešuje točno to napetost "majhna serija, visoka prilagoditev". BMW-jev oddelek Rolls-Royce ponuja na desettisoče izbirnih 3D-natisnjenih komponent za Phantoma, kar strankam omogoča, da izbirajo iz širokega kataloga možnosti - ali celo zahtevajo povsem nove prilagoditve -, ne da bi morala proizvodna stran razviti ločen kalup za vsako različico. Znamke superavtomobilov, kot je Ferrari, imajo podoben pristop z uporabo tehnologije za hitro ponovitev in malo-serijsko poskusno proizvodnjo notranjih podrobnosti, s čimer skrajšajo čas, ki je potreben za prehod od koncepta do proizvodnje za notranjost novega modela.

Poleg prilagajanja novih-vozil 3D-tiskanje prinaša pomembno vrednost tudi pri dobavi rezervnih delov. Proizvajalci avtomobilov z dolgo zgodovino in obsežno ponudbo preteklih modelov, kot je Audi, morajo še naprej dobavljati dele za klasična vozila, ki so stara desetletja -, vendar je originalno orodje za številne od teh redkih delov že zdavnaj odpadlo, ponovno rezanje kalupa pa je drago, še posebej, če bo kdaj potrebna le peščica enot, zaradi česar je to ekonomsko slab predlog.

Z digitalizacijo 3D-podatkov za te redke dele jih lahko proizvajalci avtomobilov proizvedejo na zahtevo s 3D-tiskanjem, kadar koli ga stranka potrebuje - brez velikega fizičnega inventarja, ki veže skladiščni prostor, in brez visokih stroškov na-enoto za ponovno uporabo orodja za majhno proizvodno serijo. Ta model »digitalnega skladišča« postaja vse večji trend pri dobavi delov za klasična in omejena -serija vozil.

Konsolidacija pokončnega vzmetenja: Carbon Performance je združil devet ločenih komponent pokončnega vzmetenja športnega avtomobila Lotus v en sam 3D-natisnjen aluminijast del, kar je zmanjšalo težo in izboljšalo togost.

Inovacija zavornih čeljusti: Bugattijeva 3D-natisnjena zavorna čeljust iz titana je opravila tlačni preizkus in dokazala moč in vzdržljivost, ki sta boljši od tradicionalno izdelanih čeljusti.

Integrirani hladilni kanali: BMW natisne kanale hladilne tekočine neposredno v glave valjev serije M-, kar optimizira toplotno upravljanje za povečanje zmogljivosti motorja.

Tiskanje celotne strukture vozila: Local Motors je 3D natisnil karoserijo svojega električnega vozila Strati, Honda pa je natisnila stranske plošče za svoj koncept Micro Commuter -, ki prikazujeta potencial 3D tiskanja na celotni-strukturni ravni vozila.

Konsolidacija devetih ločenih komponent vzmetenja športnega avtomobila Lotus s strani Carbon Performance v pokončnem položaju v en sam 3D-natisnjen aluminijast del je še posebej zgovoren primer, saj razkriva eno temeljnih prednosti, ki ločuje 3D-tiskanje od tradicionalne proizvodnje: konsolidacijo delov. Tradicionalna proizvodnja, omejena s tem, kako so deli strojno obdelani in sestavljeni, pogosto zahteva razbijanje kompleksne funkcionalne komponente na več enostavnejših delov, ki se obdelajo ločeno in nato spojijo skupaj s sorniki ali zvari. Vsak od teh spojev je potencialna šibka točka in potencialno tveganje za okvaro, poleg tega pa vsak dodaten čas sestavljanja in kompleksnost-nadzora kakovosti.

Logika-proizvodnje dodatkov, ki stoji za 3D-tiskanjem, v celoti razbije to omejitev. Oblikovalci lahko začnejo neposredno s funkcionalno zahtevo in oblikujejo eno samo integrirano kompleksno strukturo -, ki zloži funkcijo devetih ločenih delov v eno tiskano komponento. To ne le zmanjša število delov in zapletenost sestavljanja, ampak tudi - z odpravo več spojev - bistveno izboljša splošno strukturno togost in zanesljivost, hkrati pa doseže prihranek teže.

Bugattijeva 3D-natisnjena zavorna čeljust iz titana podobno ponazarja potencial 3D-tiskanja pri izjemno-zmogljivih komponentah. Zavorne čeljusti morajo vzdržati ogromen zavorni pritisk in ponavljajoče se toplotne cikle. Bugattijeva zavorna čeljust iz titana, izdelana s 3D-tiskanjem, je šla skozi stroge tlačne preizkuse in pokazala trdnost in vzdržljivost, ki sta presegla zavorne čeljusti, izdelane s tradicionalnim kovanjem ali litjem - dokaz, da lahko aditivna proizvodnja zdaj tekmuje-z-tradicionalnimi postopki na visoko-zmogljivih, varnostnih-ključnih komponentah.

3D-natisnjeno električno vozilo Strati družbe Local Motors in Hondine 3D-natisnjene stranske plošče za koncept Micro Commuter predstavljajo zgodnje raziskovanje 3D-tiskanja, ki se razteza od ravni komponent do celotnih-strukturnih aplikacij za vozila. Medtem ko ti projekti trenutno ostajajo večinoma na stopnji-potrjevanja koncepta in-majhne{6}}serijske-proizvodnje, prikazujejo izvedljivost 3D-tiskanja za velike strukturne-komponente na ravni karoserije, gradijo dragocene tehnične izkušnje in podatke za večji{10}}celotni{11}}3D-tiskanje vozil v prihodnosti.

Napredovanje standardizacije in certificiranja: projekt SYMPA razvija -smole SLA za avtomobile. Projekt IDAM, ki ga koordinira BMW, se osredotoča na industrializacijo aditivnih proizvodnih procesov in sistemov avtomatizacije. Projekt NextGenAM sodeluje z vesoljskim sektorjem za optimizacijo proizvodne učinkovitosti.

Znižanje ovire za proizvajalce: Ko so tiskarski procesi in materiali certificirani, lahko mala in srednje velika-podjetja sprejmejo skladno strojno opremo neposredno za proizvodnjo delov, ne da bi nosila visoke stroške neodvisnega certificiranja -, kar pospešuje sprejetje 3D-tiskanja v avtomobilski industriji.

Delo na področju standardizacije in certificiranja je pogosto najlažje spregledan, a najbolj kritičen del premikanja nove tehnologije iz laboratorija v-industrijsko uporabo velikega obsega. Avtomobilska industrija ima izjemno stroge regulativne zahteve glede učinkovitosti materialov in varnostnih standardov za komponente - celo nov material ali postopek, ki deluje impresivno na tehnični ravni, bo imel težave pri široki uporabi v proizvodnih vozilih brez industrijskega certifikata.

Projekt SYMPA se osredotoča na razvoj avtomobilskih-certificiranih fotoobčutljivih smolnih materialov s certifikatom SLA, s čimer se sprosti pot skladnosti za 3D-tiskalne-materiale na osnovi smol za vstop v dobavno verigo avtomobilskih delov. Projekt IDAM, ki ga usklajuje BMW, se osredotoča na industrijsko integracijo celotnega delovnega toka aditivnega izdelave s sistemi za avtomatizacijo, pri čemer raziskuje, kako preoblikovati proces 3D tiskanja, ki je trenutno močno odvisen od ročnega posredovanja, v procesa, ki lahko deluje stabilno in v velikem obsegu v avtomatizirani proizvodni liniji. Projekt NextGenAM gre še korak dlje in sodeluje z letalsko industrijo za skupno optimizacijo učinkovitosti proizvodnje kovinskih dodatkov -, saj je vesoljska industrija nabrala več zrelih izkušenj pri nadzoru kakovosti in certificiranju za 3D-tiskanje kovin, tovrstno med-panožno sodelovanje pa pomaga pospešiti zorenje tehnologije avtomobilskega sektorja.

Ko bodo ta certifikacijska ogrodja vzpostavljena in uvedena, bodo znatno zmanjšala ovire za male in srednje-proizvajalce, da sprejmejo 3D-tiskanje. Danes neodvisno dokončanje certificiranja materialov in procesov zahteva precejšnjo naložbo časa in denarja - pogosto več, kot zmore manjše podjetje. Ko so industrijski standardi in postopki certificiranja vzpostavljeni, lahko manjša podjetja sprejmejo že-certificirano, skladno strojno opremo in materialne sisteme neposredno za proizvodnjo, brez podvajanja te naložbe v certificiranje. To bo dramatično pospešilo širjenje 3D-tiskanja po celotni avtomobilski dobavni verigi, predvsem pa bo dobaviteljem delov druge- in tretje{9}}nige omogočilo, da bodo prav tako imeli koristi od povečane učinkovitosti, ki jo ponuja tehnologija.

Izvedljivost popolnoma 3D-tiskanega vozila: Ko tehnologija 3D-tiskanja dozoreva za ključne komponente, kot so baterije, motorji in senzorji, bodo lahko prihodnja vozila sčasoma natisnjena v celoti, od motorja do koles. Tiskalni magneti že obstajajo, na primer - 3D tiskanje električnega motorja mora predvsem premagati izzive pri avtomatiziranem sestavljanju in združljivosti materialov.

Izzivi avtomatiziranega sestavljanja: Trenutne ovire vključujejo sposobnost robotskih sistemov, da integrirajo dele, ki prihajajo iz več tiskalnikov. Projekti, kot je IDAM, gradijo napredne proizvodne obrate, ki pomagajo pri uresničevanju tega cilja.

Pričakovana preobrazba industrije: Medtem ko leteči avtomobili ostajajo oddaljena možnost, bi lahko 3D-natisnjeni avtomobili v naslednjem desetletju prešli iz koncepta v proizvodnjo, kar bi temeljito preoblikovalo dobavne verige in proizvodne modele tradicionalne avtomobilske proizvodnje.

Resnično doseganje "popolnoma 3D-natisnjenega vozila" zahteva več kot le tiskanje strukture karoserije - bolj osrednji izziv je aditivna proizvodnja visoko integriranih osnovnih komponent, kot so baterije, motorji in senzorji. Tiskalni magnetni materiali so že dosegli preboj, kar pomeni, da je mogoče trajne magnete v srcu elektromotorja zdaj izdelati s tiskanjem, s čimer so postavljeni materialni temelji za nadaljnjo integracijo proizvodnje motorjev v proces tiskanja. Popolnoma 3D-tiskanje celotnega motorja pa še vedno zahteva reševanje izziva skupnega tiskanja več različnih materialov in funkcionalnih modulov - navitij tuljav, izolacijskih materialov, hladilnih struktur in še več -, kar ostaja ključni fokus trenutnih tehničnih raziskav.

Tudi ko je mogoče vsako posamezno komponento izdelati s 3D-tiskanjem, je zmogljivost avtomatizirane stopnje sestavljanja enako ključna za doseganje -proizvodnje vozil. Trenutno ozko grlo v industriji je, da robotski sistemi pri integraciji delov, ki prihajajo iz različnih tiskalnikov in različnih proizvodnih serij, pogosto potrebujejo po meri-programirane prijemalne in sestavne poti za vsako vrsto dela -, pri čemer jim primanjkuje prožnosti in vsestranskosti, potrebnih za obvladovanje velike-mešanosti, majhne-količine proizvodnje 3D-natisnjenih delov. Industrijska sodelovanja, kot je projekt IDAM, si prizadevajo za izgradnjo naprednejših avtomatiziranih proizvodnih obratov, pri čemer raziskujejo, kako narediti robotske sisteme bolj inteligentno prilagodljive različnim 3D-natisnjenim delom - kritični prag, ki ga je treba preseči, da bi dosegli povečano proizvodnjo popolnoma 3D-natisnjenih vozil.

Medtem ko je izdelava popolnoma 3D-natisnjenega letečega avtomobila,-pripravljenega za cesto, zaenkrat še oddaljena možnost, trenutna pot razvoja tehnologije kaže, da bi se lahko 3D-natisnjeni avtomobili v naslednjem desetletju postopoma premaknili od potrjevanja koncepta k proizvodnji v-majhnem obsegu. Ta premik bo vključeval več kot le nadgradnjo na ravni proizvodnega-procesa -. Temeljito bo preoblikoval strukturo dobavne verige in organizacijo proizvodnje tradicionalne avtomobilske industrije ter se odmaknil od modela, zgrajenega na-standardizirani proizvodnji velikega obsega in centraliziranih naložbah v orodja, k bolj prilagodljivemu, porazdeljenemu modelu digitalne proizvodnje na-zahtevo.

S skrajšanjem razvojnih ciklov, znižanjem proizvodnih stroškov in omogočanjem zapletenih oblik je 3D-tiskanje postalo osrednje gonilo inovacij v avtomobilski proizvodnji. Medtem ko se preboji v znanosti o materialih in avtomatizaciji nadaljujejo, se bliža obdobje popolnoma 3D-natisnjenega vozila -, ki industriji prinaša učinkovitost brez primere in potencial prilagajanja. Od hitrega ponavljanja med validacijo prototipa do lahkih nadgradenj v proizvodnem orodju, do prilagojene in na-zahtevo končne{6}}proizvodnje delov, vse do prihodnje vizije popolnoma natisnjenega vozila, 3D-tiskanje sistematično preoblikuje vsako fazo avtomobilske proizvodnje in potiska celotno industrijo k večji učinkovitosti, prilagodljivosti in personalizaciji.