Kuinka 3D-tulostus muuttaa autojen valmistusta

3D-tulostustekniikka ajaa muutosta autoteollisuudessa monin tavoin - prototyyppien suunnittelu ja validointi, tuotantotyökalut, loppu-käyttöosien valmistus sekä prosessien ja materiaalien sertifiointi - ja siirtää alaa vähitellen kohti tulevaisuutta, jossa koko ajoneuvo voidaan tulostaa 3D-tulostukseen. Tässä lähempi katsaus:

Sopivuuden ja kokoonpanon tarkistukset: Autonvalmistajat käyttävät 3D-tulostusta tuottaakseen nopeasti täysimittaisia ​​-prototyyppejä - sivupeilejä, esimerkiksi - käyttämällä FFF/FDM-tekniikkaa osien sopivuuden ja kokoonpanon kannattavuuden tarkistamiseksi edullisesti.

Toiminnallisen prototyypin validointi: Osien, jotka vaativat suurta lujuutta tai sileää pintaviimeistelyä (kuten kiinnikkeet tai aerodynaamiset sarjat), hartsi--- ja jauhe--pohjaiset tekniikat, kuten Selective Laser Sintering (SLS), yhdistettynä komposiitteihin tai nyloniin, varmistavat, että prototyyppi täyttää suorituskykyvaatimukset.

Täys-värimallinäytöt: Materiaalisuihku- ja 3D-mustesuihkutekniikoita käytetään täys-väristen konseptimallien tai mittakaavan mallien tuottamiseen, mikä tukee suunnitteluarvioita ja markkina-esityksiä.

Prototyyppien validointi ei ole yksittäinen vaihe autojen kehitysprosessissa - se kulkee koko ajoneuvon kehityssyklin läpi. Alkukonseptiluonnoksesta lopulliseen massatuotantoon auto käy tyypillisesti läpi kymmeniä, joskus satoja prototyyppitoistoja. 3D-tulostuksen käyttöönotto on muuttanut perusteellisesti tämän prosessin toimintaa.

Perinteisessä kehitysmallissa yksipuolisen{0}}peilin prototyypin valmistaminen voi tarkoittaa yhteydenottoa erikoistuneeseen työkaluliikkeeseen, viikkojen odottelua ja kymmenien tuhansien dollarien maksamista. Pöytäkoneilla tai teollisilla FFF/FDM 3D-tulostimilla insinöörit voivat saada fyysisen osan tunneista vuorokaudessa tai kahdessa, asentaa sen suoraan ajoneuvoon sopivuustestausta varten ja tarkistaa, ovatko välykset oikeat, kiinnitysreiät kohdakkain ja ulkopinta vastaa aerodynaamisia odotuksia. Tämä nopea "suunnittelu-tulostus-testi-tarkista"-silmukka mahdollistaa suunnitteluvirheiden havaitsemisen ja korjaamisen projektin varhaisessa vaiheessa, jolloin vältytään valtavalta korjauskustannuksilta, jotka aiheutuvat ongelman havaitsemisesta vasta sen jälkeen, kun työkalut on jo leikattu.

Toiminnallisille prototyypeille, jotka vaativat parempaa lujuutta ja pinnanlaatua - rungon komponentit, aerodynaamiset sarjat ja vastaavat - SLS yhdistettynä nailon- tai komposiittimateriaaliin voi tuottaa osia, joilla on mekaaninen lujuus ja mittavakaus, joita tarvitaan tarkempaan validointiin, kuten tuulitunnelitestaukseen tai väsymistestiin, jolloin insinööreille saadaan tietoja, jotka heijastavat tarkasti todellisia tuotantoolosuhteita tai muodollisia käyttöolosuhteita.

Materiaalisuihkulla ja 3D-mustesuihkutekniikalla valmistetut täys-värikonseptimallit palvelevat puolestaan ​​eri tarkoitusta - tukemalla suunnittelun tarkistuskokouksia ja markkinatutkimusta. Suunnittelijat ja johtajat voivat fyysisesti pitää hallussaan ja tutkia täysimittaista tai skaalattua-täysväristä{5}}täysväristä mallia-päätöksentekokokouksessa sen sijaan, että luottaisivat pelkästään hahmonnuksiin tai -näytön visuaaleihin -, mikä parantaa merkittävästi suunnitteluviestinnän ja päätöksenteon laatua{10}}.

Kevyt, ergonominen muotoilu: 3D-tulostetut jigit ja kiinnikkeet ovat kevyempiä ja ergonomisempia kuin perinteiset metallityökalut, mikä vähentää kuljettajan väsymystä ja parantaa tehdaslattian turvallisuutta. Esimerkiksi BMW käyttää 3D-tulostettuja ortoosilaitteita vähentääkseen linjatyöntekijöiden peukalon rasitusta.

Kustannus- ja ajansäästö: Perinteisten työkalujen tuottaminen voi kestää viikkoja ja maksaa paljon, kun taas 3D-tulostus voi toimittaa työkalut muutamassa päivässä, jolloin geometrinen vapaus on paljon suurempi ja lopullisen osan suunnitteluun kohdistuu vähemmän rajoituksia.

Muotit ja topologian optimointi: Muoviosien ja metallisydämien ruiskumuotit voidaan tulostaa monimutkaisilla geometrioilla, mikä tukee topologia{1}}optimoituja malleja (kuten orgaanisia, bio{2}}vaikutteisia muotoja), jotka vähentävät materiaalin käyttöä ja säilyttävät lujuuden. Muun muassa GM ja Volvo ovat jo omaksuneet tämän lähestymistavan lyhentääkseen läpimenoaikoja ja leikatakseen kustannuksia.

Verrattuna ajoneuvon omiin komponentteihin 3D-tulostuksen sovellus tuotantotyökaluissa ja valmistuksen apuvälineissä jää usein huomiotta -, mutta sen vaikutus tehtaan päivittäiseen tehokkuuteen ja työntekijöiden hyvinvointiin on yhtä syvä. Perinteisellä kokoonpanolinjalla työntekijät käyttävät metallikiinnittimiä, käsityökaluja ja paikannusjigejä satoja tai tuhansia kertoja päivässä. Metallityökalujen toistuvat liikkeet ja paino voivat ajan mittaan johtaa rannekanavaoireyhtymään, peukalon rasitukseen ja muihin toistuvassa{4}}käytettävissä oleviin vammoihin.

Otettuaan käyttöön räätälöityjä 3D-tulostettuja ortopedisiä laitteita ja kevyitä valaisimia, BMW ja muut autonvalmistajat ovat voineet leikata työkalun painoa useaan otteeseen ja samalla suunnitella työkaluja tietyn työntekijän käden muodon ja pitotottumusten mukaan - vähentää merkittävästi käyttäjän väsymistä ja työtapaturmien määrää. Tällaiset tapaukset osoittavat, että 3D-tulostuksen tuoma arvo ei rajoitu osien itsensä suorituskyvyn parantamiseen -, vaan se hyödyttää myös suoraan tuotantolinjalla työskenteleviä ihmisiä.

Muottipuolella GM:n ja Volvon kaltaiset yritykset käyttävät 3D-tulostusta ruiskumuottien ytimien tuottamiseen ja käyttävät topologian optimointialgoritmeja suunnitellakseen orgaanisia, bio{1}}inspiroituja geometrioita, jotka säilyttävät muotin lujuuden ja käyttöiän ja vähentävät samalla dramaattisesti materiaalin käyttöä ja tuotantoaikaa. Verrattuna perinteisiin terästyökaluihin, joiden koneistus voi kestää kuukausia, 3D-painettuja muotteja voidaan valmistaa päivistä viikkoihin - mikä lyhentää merkittävästi tuotanto-valmistusaikataulua uusille ajoneuvokomponenteille ja nopeuttaa sitä, kuinka nopeasti uusi malli pääsee markkinoille.

Luksusajoneuvot ja räätälöity tuotanto: Huippuluokan{0}}merkit, kuten Rolls-Royce ja Porsche, käyttävät 3D-tulostusta pienten-erän mukautettujen osien - sisätilojen painikkeiden, seisontajarrukomponenttien ja vastaavien - tuottamiseen yksilöllisten asiakkaiden toiveiden mukaisesti. BMW tarjoaa kymmeniä tuhansia 3D-tulostettuja komponentteja Phantomille, ja Ferrarin kaltaiset yritykset käyttävät tekniikkaa sisätilojen suunnitteluun nopeasti.

Tarvittavat varaosat: Audi ja muut autonvalmistajat tarjoavat 3D-tulostettuja varaosia sekä nykyisiin että vanhempiin ajoneuvomalleihin, mikä vähentää varastokustannuksia ja lyhentää toimitusketjun toimitusaikoja. Esimerkiksi klassisten mallien harvinaiset osat voidaan valmistaa nopeasti digitaalisista malleista, jolloin vältytään perinteisten työkalujen kalliilta kustannuksilta.

Yksi luksusautomerkkien ydinarvolupauksista on tarjota asiakkaille todella -ainutlaatuinen--kokemus. Rolls-Roycen ja Porschen kaltaisten tuotemerkkien asiakkaat ovat usein valmiita maksamaan korkeasti räätälöidyistä sisustusyksityiskohdista - esimerkiksi asiakkaan monogrammilla kaiverretusta sisusta tai seisontajarrusta, joka on muotoiltu tietyn omistajan mieltymysten mukaan. Erillisen muotin työstäminen jokaiselle yksittäiselle asiakkaalle ei selvästikään ole realistista perinteisessä valmistuksessa - kustannukset ja aika eivät yksinkertaisesti toimi.

3D-tulostus ratkaisee juuri tämän "pienen erän, korkean räätälöinnin" jännitteen. BMW:n Rolls-Royce-divisioona tarjoaa kymmeniä tuhansia valittavissa olevia 3D-tulostettuja komponentteja Phantomille, jolloin asiakkaat voivat valita laajasta valikoimasta - tai jopa pyytää täysin uusia mukautuksia - ilman, että tuotantopuolen tarvitsee kehittää erillistä muottia jokaiselle versiolle. Superautomerkit, kuten Ferrari, noudattavat samanlaista lähestymistapaa käyttämällä tekniikkaa nopeaan iteraatioon ja sisätilojen yksityiskohtien pieniin koetuotantoon-, mikä lyhentää aikaa, joka kuluu uuden mallin sisustuksen suunnittelusta tuotantoon.

Uusien{0}}ajoneuvojen räätälöinnin lisäksi 3D-tulostus tuottaa myös merkittävää arvoa jälkimarkkinoiden osien toimittamiseen. Autonvalmistajien, joilla on pitkä historia ja laaja valikoima aiempia malleja, kuten Audi, on jatkettava osien toimittamista klassisiin ajoneuvoihin, jotka ovat vuosikymmeniä vanhoja -, mutta monien näiden harvinaisten osien alkuperäiset työkalut on jo kauan sitten romutettu, ja muotin leikkaaminen on kallista, varsinkin kun tarvitaan vain kourallinen yksiköitä, mikä tekee siitä huonon taloudellisen tarjouksen.

Digitalisoimalla näiden harvinaisten osien 3D-tiedot autonvalmistajat voivat tuottaa niitä pyynnöstä 3D-tulostuksen avulla aina, kun asiakas tarvitsee niitä - ilman suurta varastotilaa sitovaa fyysistä varastoa ja ilman pientä tuotantoa varten tarvittavan uudelleentyökalun korkeita-yksikkökustannuksia. Tästä "digitaalisen varaston" mallista on tulossa kasvava trendi klassisten ja rajoitettujen{5}}ajoneuvojen varaosatoimituksissa.

Jousituksen pystysuora tiivistys: Carbon Performance yhdisti Lotus-urheiluauton jousituksen yhdeksän erillistä osaa yhdeksi 3D-painetuksi alumiiniosaan, mikä vähentää painoa ja parantaa jäykkyyttä.

Jarrusatula-innovaatio: Bugatin 3D-tulostettu titaaninen jarrusatula läpäisi painetestauksen, mikä osoittaa vahvuutta ja kestävyyttä perinteisesti valmistettuja jarrusatulaa parempia.

Integroidut jäähdytyskanavat: BMW tulostaa jäähdytysnestekanavat suoraan M{0}}-sarjan sylinterinkansiin optimoiden lämmönhallinnan moottorin suorituskyvyn parantamiseksi.

Täysi ajoneuvorakenteen tulostus: Local Motors 3D tulosti Strati-sähköautonsa rungon ja Honda tulosti sivupaneelit Micro Commuter -konseptilleen -, jotka molemmat osoittavat 3D-tulostuksen potentiaalin koko-ajoneuvon rakenteellisella tasolla.

Carbon Performance yhdistää yhdeksän erillistä Lotus-urheiluauton jousituksen komponenttia pystyssä yhdeksi 3D-painetuksi alumiiniosaan, koska se paljastaa yhden peruseduista, joka erottaa 3D-tulostuksen perinteisestä valmistuksesta: osien yhdistämisen. Perinteinen valmistus, jota rajoittaa osien koneistus ja kokoonpano, vaatii usein monimutkaisen toiminnallisen komponentin hajottamista useisiin yksinkertaisempiin osiin, jotka koneistetaan erikseen ja liitetään sitten yhteen pulteilla tai hitsauksilla. Jokainen näistä liitoksista on potentiaalinen heikko kohta ja mahdollinen vikariski, ja jokainen lisää myös kokoonpanoaikaa ja laadunvalvontaa-monimutkaisuutta.

3D-tulostuksen taustalla oleva additiivinen{0}}valmistuslogiikka rikkoo tämän rajoituksen kokonaan. Suunnittelijat voivat aloittaa suoraan toiminnallisista vaatimuksista ja suunnitella yhden, integroidun monimutkaisen rakenteen -, joka taittaa yhdeksän erillisen osan toiminnon yhdeksi painetuksi komponentiksi. Tämä ei ainoastaan ​​vähennä osien määrää ja kokoonpanon monimutkaisuutta, vaan myös - eliminoimalla useita liitoksia - parantaa merkittävästi yleistä rakenteellista jäykkyyttä ja luotettavuutta, ja samalla saavutetaan myös painonsäästöjä.

Bugatin 3D-tulostettu titaaninen jarrusatula havainnollistaa samalla tavalla 3D-tulostuksen potentiaalia äärimmäisen -suorituskykyisissä komponenteissa. Jarrusatuoiden on kestettävä valtavia jarrutuspaineita ja toistuvia lämpöjaksoja. Bugattin 3D-tulostuksen avulla valmistettu titaaninen jarrusatula kävi läpi tiukat painetestit, ja se osoitti lujuutta ja kestävyyttä tehokkaammin kuin perinteisellä takomalla tai valamalla valmistetut jarrusatulat - todiste siitä, että lisäainevalmistus voi nyt kilpailla perinteisten prosessien kanssa korkealla{{9}{}kriittisillä komponenteilla, {10}.

Local Motorsin 3D-tulostettu Strati-sähköajoneuvo ja Hondan 3D-tulostetut sivupaneelit Micro Commuter -konseptia varten edustavat 3D-tulostuksen varhaista tutkimusta, joka ulottuu komponenttitasolta aina ajoneuvojen rakenteellisiin sovelluksiin. Vaikka nämä projektit ovat tällä hetkellä pitkälti konsepti-validointi- ja pientuotantovaiheessa-erätuotantovaiheessa, ne osoittavat 3D-tulostuksen toteutettavuuden suurille rungon-tason rakenneosille, mikä tuottaa arvokasta teknistä kokemusta ja dataa laajempaan-koko{11}}ajoneuvojen 3D-tulostukseen.

Standardoinnin ja sertifioinnin edistäminen: SYMPA-projektissa kehitetään autoteollisuudelle{0}}sertifioituja SLA-hartseja. BMW:n koordinoima IDAM-projekti keskittyy additiivisten valmistusprosessien ja automaatiojärjestelmien teollistamiseen. NextGenAM-projekti tekee yhteistyötä ilmailu- ja avaruusalan kanssa tuotannon tehokkuuden optimoimiseksi.

Valmistajien esteen madaltaminen: Kun tulostusprosessit ja materiaalit on sertifioitu, pienet ja keskisuuret{0}}yritykset voivat ottaa käyttöön yhteensopivat laitteistot suoraan osien tuottamiseen ilman, että ne joutuvat maksamaan riippumattoman sertifioinnin korkeita kustannuksia, - mikä nopeuttaa 3D-tulostuksen käyttöönottoa autoteollisuudessa.

Standardointi- ja sertifiointityö on usein helpoimmin huomiotta jäävä, mutta kuitenkin kriittisin osa uuden teknologian siirtämistä laboratoriosta laajamittaiseen teolliseen sovellukseen. Autoteollisuudessa on äärimmäisen tiukat vaatimukset materiaalien suorituskyvystä ja komponenttien turvallisuusstandardeista - jopa uusi materiaali tai prosessi, joka toimii vaikuttavasti teknisellä tasolla, on vaikea saada laajalti käyttöön tuotantoajoneuvoissa ilman alan sertifiointia.

SYMPA-projekti keskittyy autoteollisuuden -sertifioitujen SLA-valoherkkien hartsimateriaalien kehittämiseen, jotta hartsi-pohjaiset 3D-tulostusmateriaalit pääsevät autojen osien toimitusketjuun. BMW:n koordinoima IDAM-projekti keskittyy koko additiivisen valmistuksen työnkulun teolliseen integrointiin automaatiojärjestelmiin ja tutkii, miten tällä hetkellä voimakkaasti manuaaliseen väliintuloon perustuva 3D-tulostusprosessi voidaan muuttaa sellaiseksi, joka voi toimia vakaasti ja suuressa mittakaavassa automatisoidulla tuotantolinjalla. NextGenAM-projekti menee askeleen pidemmälle ja tekee yhteistyötä ilmailuteollisuuden kanssa metallien lisäaineiden valmistuksen tehokkuuden optimoimiseksi yhdessä -, koska ilmailualalla on vanhentunutta kokemusta metallien 3D-tulostuksen laadunvalvonnasta ja sertifioinnista, ja tällainen alojen välinen yhteistyö{8}}auttaa nopeuttamaan autoalan teknologian kypsymistä.

Kun nämä sertifiointikehykset on luotu ja otettu käyttöön, ne vähentävät merkittävästi pienten ja keskikokoisten{0}}valmistajien estettä omaksua 3D-tulostus. Nykyään materiaalien ja prosessien sertifioinnin suorittaminen itsenäisesti vaatii huomattavaa aikaa ja rahaa - usein enemmän kuin pienempi yritys kestää. Kun alan standardit ja sertifiointiprosessit ovat käytössä, pienemmät yritykset voivat ottaa käyttöön jo-sertifioituja, yhteensopivia laitteisto- ja materiaalijärjestelmiä suoraan tuotantoon ilman, että sertifiointiinvestointeja toistaa. Tämä nopeuttaa dramaattisesti 3D-tulostuksen leviämistä koko autoteollisuuden toimitusketjussa, ja erityisesti toisen{8}} ja kolmannen tason-osien toimittajat voivat hyötyä tekniikan tarjoamista tehokkuuseduista.

Täysin 3D-tulostetun ajoneuvon toteutettavuus: Kun 3D-tulostustekniikka kypsyy ydinkomponenteille, kuten akuille, moottoreille ja antureille, tulevat ajoneuvot voidaan lopulta tulostaa kokonaan, moottorista pyöriin. Tulostettavat magneetit ovat jo olemassa, esimerkiksi - 3Sähkömoottorin D-tulostus vaatii pääasiassa automaattisen kokoonpanon ja materiaalien yhteensopivuuden haasteita.

Automaattiset kokoonpanohaasteet: Nykyiset esteet sisältävät robottijärjestelmien kyvyn integroida useista tulostimista tulevia osia. IDAM:n kaltaiset projektit rakentavat edistyneitä tuotantotiloja edistääkseen tätä tavoitetta.

Odotettu alan muutos: Vaikka lentävät autot ovat edelleen kaukainen mahdollisuus, 3D-tulostetut autot voivat siirtyä konseptista tuotantoon seuraavan vuosikymmenen aikana, mikä muuttaa perinteisten autoteollisuuden toimitusketjuja ja tuotantomalleja perusteellisesti.

"Täysin 3D-painetun ajoneuvon" saavuttaminen vaatii enemmän kuin pelkän runkorakennetulostuksen ratkaisemista -. Keskeisempi haaste on pitkälle integroitujen ydinkomponenttien, kuten akkujen, moottoreiden ja antureiden, lisävalmistus. Tulostettavat magneettiset materiaalit ovat jo saavuttaneet läpimurron, mikä tarkoittaa, että sähkömoottorin ytimessä olevat kestomagneetit voidaan nyt tuottaa tulostamalla, mikä luo materiaaliperustan moottorituotannon integroimiseksi edelleen painoprosessiin. Koko moottorin 3D-tulostus vaatii kuitenkin edelleen useiden eri materiaalien ja toiminnallisten moduulien - käämien, eristysmateriaalien, jäähdytysrakenteiden ja muiden - käämien yhteistulostamisen haasteen ratkaisemista, mikä on edelleen nykyisen teknisen tutkimuksen pääpaino.

Vaikka jokainen yksittäinen komponentti voidaan tuottaa 3D-tulostuksen avulla, automatisoidun kokoonpanovaiheen kyky on yhtä kriittinen ajoneuvon-mittakaavatuotannon saavuttamiseksi. Alan nykyinen pullonkaula on se, että robottijärjestelmät, kun ne integroivat eri tulostimista ja eri tuotantoeristä tulevia osia, tarvitsevat usein mukautettuja-ohjelmoituja tartunta- ja kokoonpanopolkuja kullekin osatyypille -, joista puuttuu joustavuus ja monipuolisuus, joita tarvitaan 3D-tulostettujen osien tuotannon suuren-sekoituksen ja pienen{6}}volyymin käsittelyyn. Alan yhteistyö, kuten IDAM-projekti, pyrkii rakentamaan edistyneempiä automatisoituja tuotantolaitoksia ja tutkimaan, miten robottijärjestelmät mukautuvat älykkäämmin erilaisiin 3D-tulostettuihin osiin - kriittinen kynnys, joka on ylitettävä täysin 3D-tulostettujen ajoneuvojen skaalautuvan tuotannon saavuttamiseksi.

Vaikka täysin 3D-tulostetun, tievalmiin -lentoauton valmistaminen on toistaiseksi kaukainen mahdollisuus, nykyinen teknologian kehityskulku viittaa siihen, että 3D-tulostetut autot voisivat vähitellen siirtyä konseptin validoinnista kohti pienen mittakaavan tuotantoa seuraavan vuosikymmenen aikana. Tämä muutos sisältää enemmän kuin pelkän päivityksen valmistus-prosessitasolla -, sillä se muuttaa perinteisten autoteollisuuden toimitusketjun rakennetta ja tuotantoorganisaatiota perusteellisesti ja siirtyy pois mallista, joka perustuu suuren mittakaavan standardoituun tuotantoon ja keskitettyyn työkaluinvestointiin, kohti joustavampaa, hajautettua ja{8}}digitaalisen tuotannon mallia.

Lyhentämällä kehityssyklejä, alentamalla tuotantokustannuksia ja mahdollistamalla monimutkaiset suunnittelut 3D-tulostuksesta on tullut autoteollisuuden innovaatioiden ydin. Materiaalitieteen ja automaation läpimurtojen jatkuessa täysin 3D-tulostettujen ajoneuvojen aikakausi lähestyy -, mikä tuo alalle ennennäkemättömän tehokkuuden ja räätälöintipotentiaalin. Nopeasta iteraatiosta prototyyppien validoinnin aikana, kevyisiin päivityksiin tuotantotyökaluissa, räätälöityyn ja tilauskohtaiseen loppu-käyttöön tarkoitettuun osien valmistukseen, aina täysin painetun ajoneuvon tulevaisuuden visioon, 3D-tulostus muokkaa järjestelmällisesti autoteollisuuden jokaista vaihetta ja työntää koko alaa kohti parempaa tehokkuutta, joustavuutta ja personointia.