3D-tulostuksen sovellukset autoteollisuudessa

3D-tulostustekniikka muokkaa autoteollisuutta useilla tavoilla osien valmistuksesta ja muottien valmistuksesta lyhennetyihin T&K-sykleihin, kevyeen integroituun suunnitteluun ja vielä laajempiin muutoksiin teollisuuden toimitusketjussa. Vaikka teknologialla on edelleen todellisia rajoituksia suuressa-massatuotannossa, sen arvo ajoneuvokehityksen apuvälineenä on tullut laajalti tunnustetuksi kaikkialla alalla. Alla on yksityiskohtainen katsaus siihen, miten 3D-tulostusta käytetään nykyään, sekä rehellinen selostus siitä, missä se vielä epäonnistuu.

3D-tulostusta käytetään nykyään sekä muovisten että metallisten autokomponenttien valmistukseen. Muovinen 3D-tulostustekniikka sopii hyvin ei--kriittisiin osiin, kuten sisätilojen ohjauspaneeleihin ja kojelautakomponentteihin, joissa mittatoleranssit ovat vähemmän vaativia ja suunnittelun iteraatiolla on enemmän merkitystä kuin raakamekaanisella lujuudella. Sitä vastoin metallista 3D-tulostusta käytetään yhä useammin monimutkaisiin osiin, kuten moottorilohkoihin ja sylinterinkansiin - komponentteihin, joilla on monimutkaiset sisäiset geometriat ja joita on vaikea tai kallista tuottaa tavanomaisella valulla.

Yksi huomionarvoinen esimerkki on kuvioton muottiton -valutekniikka, jota on käytetty moottorin osien tuotantosyklin lyhentämiseen perinteisestä kolmesta-neljää kuukaudesta, jotka vaaditaan työkalujen tekemiseen neljään kuukauteen, vain kahteen viikkoon, samalla kun kustannuksia on leikattu useista sadasta tuhansista useisiin miljooniin yuaneihin. Tällainen hyöty on mahdollista, koska tekniikka ohittaa tarpeen suunnitella, koneistaa ja validoida fyysinen muotti ennen kuin yksittäinen osa voidaan valmistaa - vaihe, joka perinteisesti kuluttaa suurimman osan moottorikomponenttien kehityksestä.

Teknologian rajoitukset ovat kuitenkin yhtä tärkeitä ymmärtää kuin sen vahvuudet. Ydinjärjestelmät, kuten voimansiirto, jousitus, akku, renkaat, pyörät, johtosarjat, sähkömoottorit ja tuulilasit, perustuvat edelleen lähes kokonaan perinteisiin valmistusmenetelmiin. 3D-tulostus ei pysty suoraan tuottamaan tarkkoja elektronisia komponentteja, kuten johdotuksia, piirilevyjä tai antureita - nämä pysyvät tiukasti vakiintuneiden elektroniikan valmistusprosessien piirissä, ja siellä ei ole olemassakaan enää olemassa olevia elektroniikan valmistusmenetelmiä. Käytännössä tämä tarkoittaa, että 3D-tulostus toimii nykyään tavanomaisen autoteollisuuden täydennyksenä eikä korvaajana.

Yksi autoteollisuuden 3D-tulostuksen selkeimmistä eduista on muottien ja työkalujen nopea prototyyppien valmistus. Koska tekniikka rakentaa osia suoraan tietokonegrafiikkatiedoista ilman koneistusta tai fyysistä muottia, se voi tuottaa lähes minkä muotoisia komponentteja pyynnöstä. Tämä lyhentää dramaattisesti automuottien kehitys- ja tuotantosykliä perinteisiin menetelmiin verrattuna.

Perinteisten muottien kehittäminen voi kestää useita kuukausia - sisältäen suunnittelun, työkalujen valmistuksen, koeajot ja korjausjaksot - 3D-tulostus voi tiivistää saman aikajanan muutamaan viikkoon ja samalla alentaa T&K-kustannuksia. Tämä nopeusetu yhdistyy ajoneuvoohjelmaan: muotti, joka voidaan toistaa päivissä viikkojen sijaan, antaa insinööritiimille mahdollisuuden testata enemmän suunnittelumuunnelmia ennen kuin sitoutuvat kalliisiin tuotantotyökaluihin.

Pitkälle tulevaisuuteen katsoen monet alan toimijat pitävät 3D-tulostusta mahdollisena tulevaisuuden suuntana autojen muottien valmistuksessa laajemmin. Vähentämällä riippuvuutta perinteisistä meisto- ja taontaprosesseista tietyissä sovelluksissa, lisäainevalmistus voi auttaa edistämään muottien tuotantoa kohti tehokkaampaa, -kustannuksiltaan edullisempaa mallia -, erityisesti pieni-volyymien tai pitkälle räätälöityjen työkalujen ajoissa, joissa tavanomaisten meistien alkukustannuksia on vaikea perustella.

Autonvalmistajat hyödyntävät 3D-tulostuksen nopeita{0}}prototyyppien vahvuuksia lyhentääkseen merkittävästi ulkosuunnittelun validointiin ja mallin tuotantoon kuluvaa aikaa. Kun uusien ajoneuvojen kehityssyklit ylittivät rutiininomaisesti kaksi vuotta, monet ohjelmat on nyt tiivistetty alle yhteen vuoteen. Tämä kiihtyvyys ei tapahdu tyhjiössä -, se on suora vastaus kiristyvään markkinakilpailuun. Pelkästään vuonna 2014 Kiinan markkinoille lanseerattiin 328 uutta ajoneuvomallia, ja tämä kilpailupaine on pakottanut valmistajat ottamaan käyttöön 3D-tulostuksen keinona tehostaa T&K-tehokkuutta ja saada uusia malleja markkinoille nopeammin.

Raakanopeuden lisäksi 3D-tulostus tukee myös tuotesuunnittelun ja valmistusprosessien samanaikaista, synkronoitua kehitystä. Suunnittelu- ja valmistustiimit voivat työskennellä rinnakkain tiukasti peräkkäisen suunnittelun-ja-rakentamisen sijaan, mikä vähentää edestakaisin-ja-muutosten aiheuttamia viiveitä. Nopea prototyyppien luominen mahdollistaa myös suunnitteluvirheiden ilmenemisen aikaisemmin, mikä vähentää yleistä kehitysriskiä ennen kuin suunnittelu lukitaan työkaluihin.

Rakenneoptimointi on yksi alueista, joilla 3D-tulostus tarjoaa etuja, joita on vaikea jäljitellä perinteisellä valmistuksella. Komponentit, jotka aikoinaan vaativat tuhannen tai useamman yksittäisen osan kokoamista, voidaan joissakin tapauksissa yhdistää muutamaan tusinaan painettuihin osiin. Yhdistettynä komposiittimateriaaliin, kuten hiilikuituun, tällainen osien yhdistäminen voi vähentää merkittävästi ajoneuvon kokonaispainoa.

Ajoneuvot, jotka sisältävät 3D{1}}painettuja rakenneosia osana integroitua suunnittelutapaa, hyötyvät harvemmista kokoonpanovaiheista, ja monissa tapauksissa parantunut kokonaissuorituskyky - painonpudotus tukee suoraan parempaa tehokkuutta ja ajo-ominaisuuksia. Tämän suunnitteluparadigman nähdään yhä useammin osoittavan kohti uutta suuntaa autoteollisuudessa yleensä, joka voi ajaa laajempaa alaa kohti tehokkaampia ja ympäristön kannalta kestävämpiä tuotantomenetelmiä ajan mittaan, koska yhdistetyt mallit yleensä myös vähentävät materiaalihukkaa ja yksinkertaistavat käyttöiän päätyttyä purkamista-.

Perinteinen autotuotanto riippuu monimutkaisista, usein maailmanlaajuisista toimitusketjuista, ja komponentit hankitaan useista maista ennen lopullista kokoonpanoa. 3D-tulostusteknologialla on potentiaalia muuttaa tätä mallia mahdollistamalla suunnittelun, hankinnan, valmistuksen, myynnin ja kierrätyksen keskittämisen yhdelle alueelle, mikä vähentää riippuvuutta pitkän matkan{1}}logistiikasta.

Merkittävä esimerkki tästä muutoksesta on konseptiajoneuvo, joka saavutti lokalisoidun tuotannon 3D-tulostuksen avulla, mikä pienensi-rajojen yli ulottuvia toimituskuluja ja toimitusaikoja, jotka tyypillisesti tulevat maailmanlaajuisesti hajautetun toimitusketjun mukana. Laajemmin 3D-tulostus tukee pieniä-eriä, pitkälle räätälöityä tuotantoa, mikä sopii hyvin yhteen alan laajemman siirtymisen kanssa suuren-mittakaavan standardoidusta valmistuksesta kohti joustavampia tuotantomalleja. Tämä joustavuus auttaa valmistajia reagoimaan nopeammin muuttuvaan markkinoiden kysyntään -, mikä on tullut yhä arvokkaammaksi kuluttajien mieltymysten pirstoutuessa ja ajoneuvojen elinkaaren lyhentyessä.

Näistä eduista huolimatta 3D-tulostus ei silti pysty kilpailemaan perinteisten leimaus- ja taontaprosessien kanssa laajamittaisessa standardoidussa tuotannossa. Useat tekijät rajoittavat edelleen laajempaa käyttöönottoa: materiaalin suorituskyky on edelleen jäljessä tavanomaisesti valmistettujen metalliosien suorituskyvystä joissakin sovelluksissa, pinnan laatu vaatii tyypillisesti lisä-jälkikäsittelyvaiheita, kuten kiillotusta ja maalausta, ja -osakohtaista tilavuushintaa on edelleen vaikea perustella vakiintuneisiin massatuotantomenetelmiin verrattuna. Suuressa mittakaavassa valmistettujen ajoneuvojen on myös täytettävä tiukat sääntelyvaatimukset, ja monilla lainkäyttöalueilla 3D{8}}tulostettujen komponenttien materiaaliominaisuuksia ei ole vielä täysin validoitu näiden standardien mukaisesti.

Myös osaamisessa ja toimitusketjun kypsässä on rakenteellinen aukko. Tällä hetkellä alalta puuttuu tarpeeksi ammattilaisia, jotka tuntevat syvällisesti lisäainevalmistuksen suunnitteluperiaatteet - 3D-tulostuksen suunnittelu vaatii aidosti erilaista ajattelutapaa kuin leimattujen tai koneistettujen osien suunnittelu. Samaan aikaan laajempi tukiekosysteemi, mukaan lukien erikoistuneet materiaalitoimittajat ja{4}}jälkikäsittelypalvelujen tarjoajat, on edelleen kehittymässä, eikä se ole vielä saavuttanut perinteisten autoteollisuuden toimitusketjujen kypsyyttä.

Nämä rajoitteet huomioon ottaen 3D-tulostus kasvaa todennäköisesti eniten lähi{1}}aikavälillä apuvälineenä, jota käytetään ensisijaisesti ajoneuvokehityksen T&K-vaiheessa, jolloin se voi optimoida suunnittelutyönkulkuja nopean prototyyppien valmistuksen avulla ja vähentää kalliiden fyysisten muottien tarvetta varhaisessa validointivaiheessa.

Pidemmällä aikavälillä lupaavin tie eteenpäin voi olla 3D-tulostuksen yhdistäminen perinteisiin valmistusmenetelmiin - esimerkiksi käyttämällä 3D-painettuja muotteja yhdessä perinteisten leimausprosessien kanssa - kustannusten ja tehokkuuden välisen tasapainon saavuttamiseksi. Tällainen hybridilähestymistapa voisi vähitellen laajentaa skenaarioiden valikoimaa, joissa lisäainevalmistus tulee käytännölliseksi suuremman-volyymin tuotannossa sen sijaan, että teknologiaa vaadittaisiin kilpailemaan omilla ehdoillaan leimaamisen ja takomisen kanssa.

Teknologian kehittyessä edelleen teollisuuden käyttöönoton odotetaan kasvavan, erityisesti huippuluokan räätälöityjen ajoneuvosegmenttien{0}}ja uusien energia-ajoneuvojen alalla, jossa pienemmät tuotantomäärät, nopeampi suunnittelun iteraatio ja osien yhdistäminen sopivat erityisen hyvin yhteen 3D-tulostuksen kanssa. Näillä segmenteillä additiivinen valmistuksen arvo tulee todennäköisesti yhä selvemmäksi - ei perinteisen autovalmistuksen tukkukaupan korvikkeena, vaan sen yhä välttämättömämpänä täydentäjänä.