Produkcja samochodów jest ważnym obszarem zastosowań technologii druku 3D z metalu. Druk 3D można określić jako ważną technologię uzupełniającą w branży motoryzacyjnej, od szybkiej produkcji prototypów, a tym samym przyspieszenia wydajności badań i rozwoju nowych samochodów, po bezpośrednią produkcję małych partii części, skrócenie łańcucha dostaw i oszczędność kosztów. Ponadto unikalne zalety drukowania 3D w produkcji złożonych części mogą uprościć liczbę części samochodowych, zmniejszyć wagę i zaoszczędzić materiały. Można powiedzieć, że technologia druku 3D ma wiele zalet w produkcji samochodów. To powiedziawszy, technologia do tej pory nie była szeroko stosowana w tej dziedzinie. To ze względu na możliwość wytwarzania szybszych, tańszych i bardziej skomplikowanych części -- tak będą budowane samochody przyszłości.
Produkcja przyrostowa w przemyśle motoryzacyjnym
W świecie motoryzacji pierwszymi, którzy wdrożyli produkcję addytywną, nie byli sami producenci samochodów, ale sponsorowane przez nich zespoły. Od dziesięcioleci firmy od Forda po Ferrari wykorzystują samochody wyścigowe jako inkubatory do testowania nowych technologii. Wiele standardowych funkcji w nowych samochodach — hamowanie rekuperacyjne w hybrydach, zapłon za pomocą przycisku, a nawet lusterka — ma swoje korzenie. Ta sama zasada dotyczy druku 3D, zwłaszcza druku metalu. Zespoły Formuły 1, World Endurance Challenge Racing Team, zespoły Formuły E i nie tylko doświadczyły z pierwszej ręki korzyści płynących z wytwarzania addytywnego – szybkiej iteracji projektów, szybkiego prototypowania i uproszczenia komponentów – wszystko to jest dostępne w celu poprawy wydajności Twojego pojazd na torze.
Laserowe stapianie łoża proszkowego jest lepsze w przypadku niskonakładowych, wysokowartościowych zastosowań (drukowanie 3D SLM)
Najszerzej stosowany do tej pory system drukowania 3D, laserowe stapianie łoża proszkowego, wykorzystuje laser do topienia cienkiego proszku metalowego warstwa po warstwie, aż do wyprodukowania części. Ta technologia umożliwia szybkie i dokładne wytwarzanie części metalowych i jest szeroko stosowana w dziedzinie produkcji samochodów w ostatniej dekadzie. BMW, Ford, Volkswagen, Mercedes-Benz i inne firmy opracowały typowe przypadki stosowania tej technologii i osiągnęły masową produkcję w określonych warunkach, ale większość części zaangażowanych w te przypadki jest nadal ograniczona do marek z wyższej półki , a łączna kwota jest nadal ograniczona.
Powód jest nadal nierozerwalnie związany z wymaganiami pola dotyczącymi kosztów, materiałów i szybkości. Sprzęt do laserowego zgrzewania łoża proszkowego wymaga znacznych nakładów początkowych — co najmniej milion dolarów na cały system — i produkuje tylko 1 tonę części rocznie, co nie jest wystarczające, aby uzasadnić koszty. Ponadto, mimo że drukowanie 3D sprawia, że produkcja części metalowych jest bardziej elastyczna, drukowanie jest tylko pierwszym krokiem i wymagana jest seria procesów przetwarzania końcowego, takich jak usuwanie podpór, co dodatkowo zwiększa koszt części.
Do tej pory szereg zastosowań o wysokiej wartości w branży motoryzacyjnej wynika ze znaczących zalet produkcyjnych technologii laserowego zgrzewania łoża proszkowego - cech integracji, wysokiej precyzji i złożonej produkcji. Na przykład firma General Motors wykorzystała projektowanie generatywne i drukowanie 3D, aby połączyć osiem elementów tradycyjnego wspornika fotela samochodu w jeden element, Bugatti wykorzystało technologię drukowania 3D do wyprodukowania nowego zacisku hamulcowego Chiron, a Porsche 3D wydrukowało silnik ze stopu aluminium z szeregiem innowacyjne projekty. Prototypy Shell, drukowane seryjne miękkie wsporniki BMW do samochodu sportowego i8 Roadster i nie tylko. Przypadki te, zarówno prototypowe, jak i końcowe, są nierozerwalnie związane z unikalnymi właściwościami produkcyjnymi technologii laserowego stapiania łoża proszkowego. Ale jest też taka cecha, że te zastosowania są bardzo ograniczone, prawie wszystkie należą do marek z wyższej półki i rzadko spełniają wymagania taniej, masowej produkcji w tej dziedzinie.
Oparte na wytłaczaniu drukowanie 3D z metalu na biurku do prototypowania (drukowanie 3D FDM)
Biurkowe metalowe drukarki 3D oparte na technologii wytłaczania mają konstrukcję przyjazną dla biura, która eliminuje ryzyko kurzu i narażenia na działanie lasera oraz jest łatwiejszym w obsłudze rozwiązaniem końcowym.
Dla użytkowników na wczesnych etapach projektowania i produkcji nowych pojazdów, stacjonarne metalowe drukarki 3D są 10 razy tańsze niż tradycyjne urządzenia ze łożem proszkowym i charakteryzują się łatwą i szybką obsługą. Takie systemy mogą szybko tworzyć prototypy dużej liczby części we własnym zakresie, szybko testować różne pomysły i badać nowe możliwości konstrukcyjne, oszczędzając czas i pieniądze podczas długich i kosztownych cykli projektowych. Ostatecznie lepsze projekty mogą być prezentowane przy niższych kosztach rozwoju, a firmy mogą szybko przejść od projektowania i weryfikacji do produkcji, skracając czas wprowadzania produktów na rynek. Elastyczna obsługa pomaga również obniżyć koszty, ponieważ zmniejsza straty materiału i nie wymaga wyspecjalizowanego personelu do obsługi maszyny.
Swoboda geometryczna, jaką daje drukowanie 3D, pozwala również producentom tworzyć szybkie prototypy i odkrywać nowe projekty tłoków, eliminując jednocześnie potrzebę zlecania prac na zewnątrz. Prototypowanie części na biurkowej metalowej drukarce ułatwia również płynne przejście do produkcji seryjnej, ponieważ systemy o dużej objętości, takie jak bindowanie, są w stanie produkować równie złożone projekty.
Drukowanie 3D z metalu spoiwa jest bardziej odpowiednie do produkcji wielkoseryjnej części (technologia 3DP)
Najważniejszą cechą procesu natryskiwania spoiwa jest to, że może on osiągnąć masową produkcję druku 3D z metalu. Cena sprzętu opartego na tym procesie jest niższa niż w przypadku tradycyjnych laserowych drukarek 3D, a prędkość drukowania jest dziesiątki, a nawet setki razy większa niż w przypadku czterolaserowego sprzętu do zgrzewania łoża proszkowego. Użyty materiał to tradycyjny proszek MIM, który jest tańszy niż proszek sferyczny, a koszt produkcji części jest również kilkadziesiąt razy niższy niż w przypadku części drukowanych laserowo w 3D. Dlatego proces natryskiwania spoiwa przewyższa druk 3D metalu pod względem kosztów sprzętu, kosztów proszku i wydajności drukowania, mimo że jego wydajność części jest nieco niższa, ale nadal ma ten sam poziom, co części formowane wtryskowo. Dlatego ta technologia jest bardziej odpowiednia do realizacji produkcji wielkoseryjnej.
W oparciu o powyższe zalety obecni główni producenci OEM samochodów przyspieszają stosowanie tej technologii. Wiodący projektanci druku 3D w technologii bindowania metalu w technologii bindowania nawiązali współpracę z głównymi markami z branży motoryzacyjnej: Volkswagen aktywnie współpracuje z HP, Ford wykorzystuje również technologię ExOne do produkcji części samochodowych, a Desktop Metal niedawno wygrał Niemiecki producent samochodów zdobył nagrodę Kontrakt o wartości 7,9 miliona dolarów, a branża spekuluje, że klientem może być BMW Group.
W przypadku części, które muszą być produkowane masowo, kolejna zaleta drukowania 3D w technologii binder jet metal jest jeszcze wyraźniejsza - produkcja bez form. Technologia eliminuje potrzebę stosowania form, umożliwiając inżynierom wprowadzanie już ulepszonych projektów — czy to za pomocą drukowania 3D metodą wytłaczania metalu na biurku, czy tradycyjnych metod prototypowania — do masowej produkcji za pomocą drukowania 3D w technologii binder jet metal. Prędkości drukowania, które są konkurencyjne w porównaniu z tradycyjnymi procesami produkcyjnymi na dużą skalę, druk 3D w technologii binder jet metal pozwala na wyprodukowanie tysięcy części w jednym zadaniu w cenie i szybkości produkcji, które mogą konkurować z takimi procesami, jak odlewanie, kucie i obróbka skrawaniem. Ta szybkość, w połączeniu z użyciem tanich proszków MIM i łatwego przetwarzania końcowego, pozwala na produkcję części, które mogą kosztować nawet 20 razy mniej na część niż inne procesy drukowania 3D i sprawiają, że produkcja addytywna jest realną opcją do odlewania, kucie i obróbka skrawaniem. Opłacalna opcja.
Postępy w technologii druku 3D stworzyły nowe możliwości na każdym etapie cyklu życia produkcji motoryzacyjnej – od funkcjonalnych prototypów, przez produkcję średnioseryjną, po rynek wtórny i części zamienne. Większość z tych możliwości wiąże się z szybkością produkcji i złożonością części, lub z obydwoma. Ponieważ nie ogranicza się do tradycyjnej produkcji, drukowanie 3D pozwala projektantom i inżynierom na wejście do ogromnej nowej przestrzeni projektowej i tworzenie coraz bardziej złożonych części.
Gdy zoptymalizowane części stają w obliczu masowej produkcji, materiały, wydajność formowania i cena stają się czynnikami ograniczającymi, które uniemożliwiają szerokie zastosowanie technologii druku 3D, a korzyści nie można odzwierciedlić. Rozwój nowych technologii przełamał te bariery, umożliwiając realizację zoptymalizowanych konstrukcji na dużą skalę, w wydajniejszej i bardziej ekonomicznej formie.