Kuidas 3D-printimine muudab autotootmist

3D-printimise tehnoloogia juhib autotööstuses muudatusi mitmel viisil - prototüübi projekteerimine ja valideerimine, tootmistööriistad, lõppkasutuse osade tootmine ning protsesside ja materjalide sertifitseerimine - ning liigutab tööstust järk-järgult tuleviku poole, kus saab 3D-printida tervet sõidukit. Siin on lähemalt:

Sobivuse ja koostu kontrollimine: autotootjad kasutavad 3D-printimist, et kiiresti toota täis-mõõtkavas prototüüpe - küljepeegleid, näiteks - kasutades FFF/FDM-tehnoloogiat, et soodsalt kontrollida osade sobivust ja kokkupanemise teostatavust.

Funktsionaalse prototüübi valideerimine: osade puhul, mis vajavad suurt tugevust või siledat pinnaviimistlust (nagu kinnitused või aerodünaamilised komplektid), tagavad vaigul{0}} ja pulbril- põhinevad tehnoloogiad, nagu selektiivne laserpaagutamine (SLS), kombineerituna komposiitide või nailoniga, et prototüüp vastaks jõudlusnõuetele.

Täis-värvimudelite kuvarid: materjalijoaga ja 3D-tindiprinteri tehnoloogiaid kasutatakse täis-värviliste kontseptsioonimudelite või makettide tootmiseks, mis toetavad disainiülevaateid ja turuesitlusi.

Prototüübi valideerimine ei ole autode arendusprotsessi isoleeritud etapp -, see läbib kogu sõiduki arendustsükli. Algsest ideekavandist kuni lõpliku masstootmiseni läbib auto tavaliselt kümneid, mõnikord sadu prototüübi iteratsioone. 3D-printimise kasutuselevõtt on selle protsessi toimimist põhjalikult muutnud.

Traditsioonilise arendusmudeli kohaselt võib ühepoolse{0}}peegli prototüübi tootmine tähendada spetsialiseeritud tööriistatöökojaga ühendust võtmist, nädalaid ootamist ja kümnete tuhandete dollarite maksmist. Laua- või tööstuslike FFF/FDM 3D-printerite abil saavad insenerid hankida füüsilise osa tundide kuni päevade või kahega, kinnitada selle sobivuse testimiseks otse sõidukile ja kontrollida, kas vahekaugused on õiged, kinnitusavad on kohakuti ja välispind vastab aerodünaamilistele ootustele. See kiire "disaini–printimise–testimise–revideerimise“ ahel võimaldab projekteerimisvigadel projekti varajases staadiumis tabada ja parandada, vältides tohutuid ümbertöötamiskulusid, mis tulenevad probleemi avastamisest alles pärast tööriistade lõikamist.

Funktsionaalsete prototüüpide puhul, mis nõuavad suuremat tugevust ja pinnakvaliteeti, - šassii komponendid, aerodünaamilised komplektid jms - SLS koos nailoni või komposiitmaterjalidega võib toota osi, millel on mehaaniline tugevus ja mõõtmete stabiilsus, mida on vaja rangemaks kinnitamiseks, näiteks tuuletunneli testimiseks või väsimustestimiseks, andes inseneridele andmed, mis kajastavad täpselt enne tootmise algust või formaalseid tingimusi.

Materjalijoaga ja 3D-tindiprinteri tehnoloogiaga toodetud täis-värvikontseptsiooniga mudelid teenivad samal ajal teist eesmärki, - toetades disaini ülevaatuse koosolekuid ja turu-uuringuid. Disainerid ja juhid saavad otsuste langetamise koosolekul füüsiliselt hoida ja uurida täis-skaala või vähendatud-täie-värvimudelit-, selle asemel, et toetuda ainult renderdustele või -ekraani visuaalidele -, mis parandab oluliselt disainikommunikatsiooni ja otsuste tegemise kvaliteeti{10}}.

Kerge, ergonoomiline disain: 3D-prinditud rakised ja kinnitusdetailid on kergemad ja ergonoomilisemad kui traditsioonilised metalltööriistad, vähendades operaatori väsimust ja parandades ohutust tehasepõrandal. Näiteks BMW kasutab 3D-prinditud ortopeedilisi seadmeid, et vähendada liinitöötajate pöidla pinget.

Kulude ja aja kokkuhoid: Traditsiooniliste tööriistade tootmine võib võtta nädalaid ja kulutada palju, samas kui 3D-printimine suudab tööriistad kätte toimetada päevadega, millel on palju suurem geomeetriline vabadus ja vähem piiranguid lõpliku osa kujundamisel.

Vormid ja topoloogia optimeerimine: metallivalu plastosade ja -südamike süstimisvorme saab 3D-printida keeruka geomeetriaga, toetades topoloogia{1}}optimeeritud kujundust (nt orgaanilised, bio{2}}inspireeritud kujundid), mis vähendavad materjalikasutust, säilitades samal ajal tugevuse. GM ja Volvo on selle lähenemisviisi juba kasutusele võtnud, et lühendada teostusaega ja vähendada kulusid.

Võrreldes sõiduki enda komponentidega jäetakse 3D-printimise rakendus tootmistööriistades ja tootmisabivahendites sageli tähelepanuta -, kuid selle mõju igapäevasele tehase efektiivsusele ja töötajate heaolule on sama suur. Traditsioonilisel koosteliinil kasutavad töötajad sadu või tuhandeid kordi päevas metallkinnitusi, käsitööriistu ja positsioneerimisrakisteid. Korduv liikumine ja metalltööriistade kaal võivad aja jooksul põhjustada karpaalkanali sündroomi, pöidla pinget ja muid korduva kasutamisega seotud vigastusi.

Pärast kohandatud 3D-prinditud ortopeediliste seadmete ja kergseadmete kasutuselevõttu on BMW ja teised autotootjad suutnud tööriista kaalu mitu korda vähendada, kujundades samal ajal tööriistu vastavalt konkreetse töötaja käekujule ja haardeharjumustele, - vähendades oluliselt operaatori väsimust ja töövigastusi. Sellised juhtumid näitavad, et 3D-printimise väärtus ei piirdu ainult osade endi jõudluse parandamisega -, vaid toob otsest kasu ka tootmisliinil töötavatele inimestele.

Vormimise poolel kasutavad ettevõtted nagu GM ja Volvo 3D-printimist survevaluvormide südamike tootmiseks, rakendades topoloogia optimeerimise algoritme, et kujundada orgaanilisi, bio{1}}inspireeritud geomeetriaid, mis säilitavad vormi tugevuse ja kasutusea, vähendades samal ajal oluliselt materjali kasutamist ja tootmisaega. Võrreldes traditsiooniliste terastööriistadega, mille töötlemine võib võtta kuid, saab 3D-prinditud vorme toota päevade või nädalate jooksul -, mis vähendab oluliselt uute sõidukikomponentide tootmise-valmiduse ajakava ja kiirendab uue mudeli turule jõudmist.

Luksussõidukid ja eritellimusel tootmine: tipptasemel{0}}brändid, nagu Rolls-Royce ja Porsche, kasutavad 3D-printimist väikeste-partiide kohandatud osade - salongi nuppude, seisupiduri komponentide ja sarnaste detailide - valmistamiseks, et rahuldada klientide isikupärastatud soove. BMW pakub Phantomi jaoks kümneid tuhandeid 3D-prinditud komponente ja sellised ettevõtted nagu Ferrari kasutavad seda tehnoloogiat sisekujunduse kiireks kordamiseks.

Nõudmisel varuosad: Audi ja teised autotootjad pakuvad 3D-prinditud varuosi nii praegustele kui ka vanematele sõidukimudelitele, vähendades laokulusid ja lühendades tarneahela tarneaega. Näiteks klassikaliste mudelite haruldasi osi saab kiiresti toota digitaalse disainiga, vältides traditsiooniliste tööriistade suuri kulusid.

Luksusautobrändide üks põhiväärtuse pakkumisi on pakkuda klientidele tõeliselt ainulaadset---elamust. Selliste kaubamärkide nagu Rolls-Royce ja Porsche kliendid on sageli nõus maksma lisatasu väga kohandatud interjööri detailide - eest, näiteks kliendi monogrammiga graveeritud interjööri nupu või konkreetse omaniku eelistuse järgi kujundatud seisupiduri eest. Ilmselgelt ei ole iga kliendi jaoks eraldi vormi koostamine traditsioonilise tootmise puhul realistlik - kulu ja aeg lihtsalt ei tööta.

3D-printimine lahendab täpselt selle "väikese partii, suure kohandamise" pinge. BMW Rolls-Royce'i divisjon pakub Phantomi jaoks kümneid tuhandeid valitavaid 3D-prinditud komponente, võimaldades klientidel valida suure valikuvõimaluste kataloogi hulgast - või isegi taotleda täiesti uusi kohandusi -, ilma et tootmispool peaks iga variandi jaoks eraldi vormi välja töötama. Superautode kaubamärgid, nagu Ferrari, kasutavad sarnast lähenemist, kasutades tehnoloogiat kiireks iteratsiooniks ja interjööri detailide väikeseks-partiiprooviks tootmiseks, lühendades aega, mis kulub uue mudeli interjööri kontseptsioonist tootmiseni.

Lisaks uutele{0}}sõidukite kohandamisele pakub 3D-printimine märkimisväärset väärtust ka järelturu osade tarnimisel. Pika ajaloo ja suure hulga varasemate mudelitega autotootjad, nagu Audi, peavad jätkuvalt tarnima osi aastakümneid vanadele klassikalistele sõidukitele -, kuid paljude nende haruldaste osade originaaltööriistad on juba ammu kasutuselt kõrvaldatud ja vormi ümberlõikamine on kulukas, eriti kui kunagi läheb vaja vaid käputäis üksusi, mistõttu on see kehv majanduslik pakkumine.

Digiteerides nende haruldaste osade 3D-andmed, saavad autotootjad neid nõudmisel 3D-printimise abil toota alati, kui klient seda vajab -, ilma et neil oleks kaasas suur füüsiline laopind, mis seob laopinda, ja ilma väikese tootmistsükli jaoks ümbertegemise kõrgete ühikuhinnata-. Sellest "digitaalse lao" mudelist on saamas klassikaliste ja piiratud väljalaskega{5}}sõidukite varuosade pakkumise kasvav trend.

Vedrustuse püstine tugevdamine: Carbon Performance ühendas Lotuse sportauto püstise vedrustuse üheksa eraldi komponenti üheks 3D-prinditud alumiiniumosaks, vähendades kaalu ja parandades jäikust.

Pidurisadulade uuendus: Bugatti 3D-prinditud titaanist pidurisadul läbis survetesti, demonstreerides traditsiooniliselt toodetud pidurisadulatest paremat tugevust ja vastupidavust.

Integreeritud jahutuskanalid: BMW prindib jahutusvedeliku kanalid otse M{0}}-seeria silindripeadesse, optimeerides soojusjuhtimist mootori jõudluse suurendamiseks.

Sõiduki täieliku struktuuri printimine: Local Motors 3D printis oma Strati elektrisõiduki kere ja Honda prindis oma Micro Commuteri kontseptsiooni küljepaneelid -, mis mõlemad demonstreerivad 3D-printimise potentsiaali kogu-sõiduki struktuuri tasandil.

Carbon Performance ühendab Lotuse sportauto vedrustuse üheksa eraldi komponendi püstiasendis üheks 3D-prinditud alumiiniumosaks on eriti ilmekas näide, sest see toob esile ühe põhilise eelise, mis eristab 3D-printimist traditsioonilisest tootmisest: osade ühendamine. Traditsiooniline tootmine, mida piirab osade töötlemine ja kokkupanemine, nõuab sageli keeruka funktsionaalse komponendi purustamist mitmeks lihtsamaks tükiks, mis töödeldakse eraldi ja seejärel ühendatakse poltide või keevisõmblustega. Kõik need liigendid on potentsiaalne nõrk koht ja potentsiaalne rikkeoht ning igaüks lisab ka kokkupanekuaega ja kvaliteedikontrolli{4}}keerukust.

3D-printimise taga olev aditiivne{0}}tootmisloogika murrab selle piirangu täielikult. Disainerid saavad alustada otse funktsionaalsest nõudest ja kujundada ühtse integreeritud keeruka struktuuri -, mis koondab üheksa eraldi osa funktsiooni üheks prinditud komponendiks. See mitte ainult ei vähenda osade arvu ja kokkupanemise keerukust, vaid ka -, kaotades mitu liigendit, - parandab oluliselt üldist konstruktsiooni jäikust ja töökindlust, saavutades samal ajal ka kaalusäästu.

Bugatti 3D-prinditud titaanist pidurisadul illustreerib samamoodi 3D-printimise potentsiaali äärmuslike -jõudlusega komponentides. Pidurisadulad peavad vastu pidama tohutule pidurdussurvele ja korduvale termotsüklile. Bugatti 3D-printimise teel toodetud titaanist nihik läbis range survetesti ning näitas tugevust ja vastupidavust, mis ületas traditsioonilise sepistamise või valamise abil valmistatud nihikuid, - tõend selle kohta, et lisandite tootmine suudab nüüd konkureerida traditsiooniliste protsessidega kõrgel {{9}{101}kriitilistel komponentidel.

Local Motorsi 3D-prinditud Strati elektrisõiduk ja Honda 3D-prinditud küljepaneelid Micro Commuter'i kontseptsiooni jaoks esindavad 3D-printimise varajast uurimist, mis ulatub komponentide tasemest kuni kogu{3}}sõiduki konstruktsioonirakendusteni. Kuigi need projektid jäävad praegu suures osas kontseptsiooni-valideerimise ja väikese{6}}partiitootmise{7}}faasi, näitavad need 3D-printimise teostatavust suurte kere-taseme konstruktsioonikomponentide jaoks, luues väärtuslikke tehnilisi kogemusi ja andmeid suurema-mahuga-sõidukite 3D-printimiseks.

Standardimise ja sertifitseerimise edendamine: SYMPA projekt arendab autotööstuses{0}}sertifitseeritud SLA vaike. BMW koordineeritav IDAM projekt keskendub lisandite tootmisprotsesside ja automatiseerimissüsteemide industrialiseerimisele. Projekt NextGenAM teeb koostööd lennundussektoriga, et optimeerida tootmise efektiivsust.

Tootjate takistuse vähendamine: kui printimisprotsessid ja -materjalid on sertifitseeritud, saavad väikesed ja keskmise suurusega ettevõtted{0}}ühilduva riistvara kasutusele võtta otse osade tootmiseks, ilma et nad peaksid kandma sõltumatu sertifitseerimise kõrgeid kulusid, - mis kiirendab 3D-printimise kasutuselevõttu kogu autotööstuses.

Standardimis- ja sertifitseerimistööd on sageli kõige kergemini kahe silma vahele jäetud, kuid siiski kõige olulisem osa uue tehnoloogia viimisel laborist laiaulatuslikusse{0}}tööstuslikku rakendusse. Autotööstuses kehtivad äärmiselt ranged regulatiivsed nõuded materjalide jõudluse ja komponentide ohutusstandardite osas - isegi uus materjal või protsess, mis toimib tehnilisel tasemel muljetavaldavalt, ei saa ilma tööstusliku sertifikaadita tootmissõidukites laialdaselt kasutusele võtta.

SYMPA projekt keskendub autotööstuses{0}}sertifitseeritud SLA valgustundlike vaigumaterjalide väljatöötamisele, mis võimaldab vaigul{1}}põhinevate 3D-printimismaterjalide sisenemist autoosade tarneahelasse. BMW koordineeritav IDAM-projekt keskendub kogu lisandite tootmise töövoo tööstuslikule integreerimisele automatiseerimissüsteemidega, uurides, kuidas muuta praegu suuresti käsitsi sekkumisel põhinev 3D-printimise protsess selliseks, mis töötab stabiilselt ja mastaapselt automatiseeritud tootmisliinil. Projekt NextGenAM astub sammu kaugemale, tehes koostööd lennundustööstusega, et ühiselt optimeerida metallilisandite tootmise efektiivsust, - kuna kosmosetööstusel on küpsemad kogemused metallide 3D-printimise kvaliteedikontrolli ja sertifitseerimise vallas ning selline tööstusharudevaheline koostöö aitab kiirendada autotööstuse tehnoloogia küpsemist.

Kui need sertifitseerimisraamistikud on loodud ja kasutusele võetud, vähendavad need märkimisväärselt väikeste ja keskmise suurusega{0}}tootjate takistust 3D-printimise kasutuselevõtul. Tänapäeval nõuab materjalide ja protsesside sertifitseerimise sõltumatu läbiviimine märkimisväärset aja- ja rahainvesteeringut - sageli rohkem, kui väiksem ettevõte suudab kanda. Kui tööstusharu standardid ja sertifitseerimisprotsessid on paigas, saavad väiksemad ettevõtted kasutusele võtta juba-sertifitseeritud, nõuetele vastavad riistvara- ja materjalisüsteemid otse tootmiseks, ilma seda sertifitseerimisinvesteeringut dubleerimata. See kiirendab järsult 3D-printimise levikut kogu autotööstuse tarneahelas, eriti võimaldades teise{8}} ja kolmanda astme-osade tarnijatel kasu saada ka tehnoloogia pakutavast tõhususe kasvust.

Täielikult 3D-prinditud sõiduki teostatavus: kuna 3D-printimise tehnoloogia areneb põhikomponentide (nt akud, mootorid ja andurid) jaoks, võidakse tulevased sõidukid lõpuks välja printida täielikult, alates mootorist kuni ratasteni. Prinditavad magnetid on juba olemas, näiteks - 3Elektrimootori D-printimine vajab peamiselt automatiseeritud montaaži ja materjalide ühilduvuse väljakutseid.

Automatiseeritud montaaži väljakutsed: Praegused takistused hõlmavad robotsüsteemide võimet integreerida mitmelt printerilt pärit osi. Sellised projektid nagu IDAM ehitavad täiustatud tootmisrajatisi, et aidata seda eesmärki edasi lükata.

Eeldatav tööstusharu ümberkujundamine: kuigi lendavad autod on endiselt kauge väljavaade, võivad 3D-prinditud autod järgmise kümnendi jooksul kontseptsioonilt tootmiseni liikuda, kujundades põhjalikult ümber traditsioonilise autotööstuse tarneahelad ja tootmismudelid.

"Täielikult 3D-prinditud sõiduki" saavutamiseks on vaja lahendada rohkem kui lihtsalt kere struktuuri printimine -, kesksemaks väljakutseks on väga integreeritud põhikomponentide, nagu akud, mootorid ja andurid, täiendav tootmine. Prinditavad magnetmaterjalid on juba saavutanud läbimurde, mis tähendab, et elektrimootori keskmes olevaid püsimagneteid saab nüüd toota trükkimise teel, mis loob materjali aluse mootoritootmise edasiseks integreerimiseks trükkimise protsessi. Terve mootori täielikuks 3D-printimiseks tuleb siiski lahendada väljakutse, mis seisneb mitme erineva materjali ja funktsionaalsete moodulite - mähismähiste, isolatsioonimaterjalide, jahutuskonstruktsioonide ja muu - ühise printimise probleemi lahendamisel, mis jääb praeguste tehniliste uuringute keskmesse.

Isegi kui iga üksikut komponenti saab 3D-printimise abil toota, on automaatse montaaži etapi võimekus sama oluline sõiduki-mastaabis tootmise saavutamiseks. Praegune tööstusharu kitsaskoht seisneb selles, et erinevatest printeritest ja erinevatest tootmispartiidest pärit osade integreerimisel vajavad robotsüsteemid sageli iga osatüübi - jaoks kohandatud-programmeeritud haarde- ja kokkupanekuteid, millel puudub paindlikkus ja mitmekülgsus, mis on vajalik 3D-prinditud osade tootmise suure-segamise ja väikese{6}}mahuga toimetulemiseks. Tööstusharu koostöö, nagu IDAM projekt, töötab selle nimel, et ehitada täiustatud automatiseeritud tootmisrajatisi, uurides, kuidas muuta robotsüsteemid intelligentsemalt kohanemaks mitmesuguste 3D-prinditud osadega -, mis on kriitiline lävi, mis tuleb ületada, et saavutada täielikult 3D-prinditud sõidukite mastaapne tootmine.

Täielikult 3D-prinditud, maanteel-valmis lendava auto tootmine on praegu küll kauge väljavaade, kuid praegune tehnoloogiaarengu trajektoor viitab sellele, et 3D-prinditud autod võivad järgmise kümnendi jooksul järk-järgult liikuda kontseptsiooni valideerimiselt väikesemahulisele-tootmisele. See nihe hõlmab enamat kui lihtsalt uuendamist tootmis-protsessi tasemel -, see tähendab traditsioonilise autotööstuse tarneahela struktuuri ja tootmiskorralduse põhjalikku ümberkujundamist, eemaldudes mudelist, mis põhineb suurel-standardiseeritud tootmisel ja tsentraliseeritud tööriistainvesteeringutel, paindlikuma, hajutatud ja nõudmisel{8}}digitaalse tootmise mudeli suunas.

Lühendades arendustsükleid, alandades tootmiskulusid ja võimaldades keerukaid disainilahendusi, on 3D-printimisest saanud autotööstuse innovatsiooni põhimootor. Kuna materjaliteaduses ja automatiseerimises jätkuvad läbimurded, läheneb täielikult 3D-prinditud sõidukite ajastu -, mis toob tööstusele enneolematu tõhususe ja kohandamispotentsiaali. Alates kiirest iteratsioonist prototüübi valideerimise ajal kuni kergete uuendusteni tootmistööriistades, kohandatud ja nõudmisel-osade valmistamiseni, kuni tulevikuvisioonini täielikult prinditud sõidukist – 3D-printimine kujundab süstemaatiliselt ümber autotööstuse iga etappi, suunates kogu tööstust suurema tõhususe, isikupärastamise paindlikkuse ja paindlikkuse poole.