Как 3D-печать меняет автомобильную промышленность? (2021)

Времена, когда 3D-печать использовалась исключительно в качестве инструмента быстрого прототипирования для автомобильной промышленности, прошли. Достижения в аддитивном производстве (AM) означают, что сегодня автопроизводители все чаще интегрируют 3D-печать в свои производственные линии.

На самом деле, 94% участников автомобильной отрасли планируют расширить свои возможности 3D-печати, говорится в исследовании Jabil, проведенном в 2018 году.

В этой статье мы расскажем о преимуществах, которые 3D-печать предлагает автопроизводителям, и узнаем, как эта технология сегодня интегрируется в производственные процессы автомобилестроения. Кроме того, мы рассмотрим текущие проблемы внедрения 3D-печати для деталей конечного использования автомобилей, а также то, что ждет 3D-печать в автомобильном секторе в будущем.

Преимущества 3D-печати для автомобильной промышленности

1. Инновации в дизайне

3D-печать может использоваться для создания сложных замысловатых дизайнов, которые в противном случае были бы невозможны при использовании традиционных методов производства. Эта возможность особенно полезна при создании индивидуальных функциональных частей.

Поскольку снижение веса является ключевой проблемой для автопроизводителей - более легкие автомобили обычно имеют меньший расход топлива - инженеры-конструкторы также могут извлечь выгоду из сочетания 3D-печати с такими инструментами, как оптимизация топологии и генеративное проектирование. Их можно использовать для удаления материала в определенных областях и создания деталей с оптимизированным весом и характеристиками.

2. Упрощенная сборка

Консолидация деталей - это еще один способ, с помощью которого производители автомобилей могут получить выгоду от 3D-печати. Поскольку традиционным методам производства не хватает свободы проектирования, как при 3D-печати, для создания окончательного компонента обычно необходимо производить несколько компонентов.

С помощью объединения частей несколько частей компонента могут быть объединены в один компонент на этапе проектирования. Зачастую консолидированный дизайн из-за своей сложности можно изготовить только с помощью 3D-печати. ​​

При таком подходе 3D-печать может упростить процесс сборки за счет уменьшения количества компонентов, необходимых на этапе сборки. Преодоление потребности в нескольких деталях помогает сократить как расход материалов, так и время или затраты на сборку.

3. Настройка

По мере того, как производство все больше склоняется к массовой кастомизации, автопроизводители все чаще должны находить способы создания автомобилей, отвечающих потребностям своих клиентов. 3D-печать предлагает рентабельный и гибкий способ изготовления деталей по индивидуальному заказу.

В сегменте роскоши и автоспорта компании уже используют эту технологию для производства индивидуальных деталей как для внутренней, так и для внешней части автомобиля.

Предлагая клиентам варианты настройки, автопроизводители стремятся улучшить качество обслуживания клиентов и увеличить свои конкурентные преимущества.

Один из сегментов автомобильной промышленности, который адаптировал 3D-печать для индивидуальной настройки, - это автомобили класса люкс. В сегменте, где мелкие производственные партии являются нормой, 3D-печать может использоваться для создания деталей, адаптированных к конкретным требованиям клиентов, в относительно короткие сроки.

Mini - хороший пример:немецко-британский автопроизводитель обратился к 3D-печати, чтобы клиенты могли заказывать детали по индивидуальному заказу, такие как детали отделки и дверные ручки.

Porsche 3D печатает нестандартные сиденья

В другом примере компания Porsche представила новую концепцию сидений для спортивных автомобилей, в которой для индивидуальной настройки используется 3D-печать.

Новые сиденья оснащены центральными подушками сиденья и спинки из полиуретана, напечатанными на 3D-принтере, которые можно настроить по трем уровням жесткости:жесткому, среднему и мягкому.

Porsche планирует напечатать на 3D-принтере 40 прототипов сидений для использования на европейских гоночных трассах уже в мае 2020 года, а отзывы клиентов будут использованы для разработки окончательных моделей уличного движения на середину 2021 года.

В дальнейшем Porsche хочет расширить возможности персонализации сиденья за пределы жесткости и цвета, персонализируя сиденье в соответствии с конкретным контуром тела клиента.

Полиграфия может изменить стадию разработки продукта, поскольку клиенты имеют большее право голоса в том, как будут выглядеть их автомобили.

Материалы для 3D-печати для автомобильной промышленности

Для многих автомобильных применений требуются материалы, сочетающие в себе прочность и пластичность с термостойкостью и химической стойкостью. Поэтому 3D-печать высокопрочными полимерами (нейлон, PEEK), пластиками (ABS, ASA) и металлами (алюминий, стальные сплавы, титан) являются наиболее распространенными вариантами для производства функциональных автомобильных компонентов и инструментов.

Теперь появилась возможность 3D-печати композитами из углеродного волокна, что открывает еще одну возможность для создания еще более легких компонентов автомобилей.

Интеграция 3D-печати в процесс производства автомобилей

Разработка и проверка продукта

Благодаря возможности выполнять несколько итераций дизайна за более короткий промежуток времени (и с небольшими дополнительными затратами), 3D-печать является эффективным инструментом для разработки продукта. Как правило, деталь должна пройти несколько циклов проектирования, прежде чем будет согласован окончательный проект.

С помощью 3D-печати этот этап можно значительно ускорить. Кроме того, рентабельные усовершенствования конструкции могут быть сделаны относительно быстро, поскольку технология не требует дорогостоящих инструментов для изготовления прототипа.

Использование 3D-печати для прототипирования, тестирования и проверки производительности в настоящее время является одним из самых популярных приложений этой технологии в автомобильной промышленности.

Низкие производственные затраты благодаря 3D-печати означают, что инженеры-конструкторы могут сначала проверить соответствие и функцию компонента, прежде чем вкладывать средства в дорогие и обычно трудоемкие формы для производства конечных деталей.

Проверка дизайна с помощью 3D-печати в Audi

Перед запуском в производство нового автомобиля Центр предсерийного производства Audi в Ингольштадте создает физические модели и прототипы для бренда, чтобы иметь возможность оценить новые конструкции и концепции.

Использование полимерной 3D-печати стало неотъемлемой частью процесса проектирования автомобилей в Audi Pre-Series Center, что позволило команде преодолеть ограничения традиционных процессов и ускорить проверку конструкции.

Возьмем, к примеру, накладки на задние фонари. Традиционно прототипы этих деталей изготавливаются методом фрезерования или литья. Основная проблема, связанная с этими производственными технологиями, заключается в том, что разноцветные крышки корпуса задних фонарей должны производиться отдельно, а затем собираться. Это увеличивает время выполнения работ по проверке дизайна и, как следствие, задерживает время вывода продукта на рынок.

Использование технологии многоцветной 3D-печати от Stratasys позволяет команде создавать полностью прозрачные разноцветные крышки задних фонарей на одном отпечатке, устраняя необходимость в том, что ранее было многоступенчатым процессом.

При производстве крышек для задних фонарей Audi планирует сократить время изготовления прототипов до 50 процентов благодаря 3D-печати.

Инструменты

В то время как прототипирование остается основным применением 3D-печати в автомобильной промышленности, использование этой технологии в качестве инструмента быстро завоевывает популярность.

Сборочный завод Volkswagen Europa уже использует AM для производства инструментального оборудования собственными силами, а не закупает его у сторонних поставщиков.

Компания начала использовать 3D-печать в качестве инструмента в 2014 году для пилотного проекта. Успех пилотного проекта убедил Volkswagen перевести большую часть производства инструментов на 3D-печать.

Использование технологии для этого приложения дает много преимуществ.

Производство инструмента собственными силами снижает затраты на производство инструмента для производителя автомобилей на 90 процентов - и сокращает время выполнения заказа с нескольких недель до нескольких дней. Возьмем один пример:на разработку такого инструмента, как значок на задней двери, с использованием традиционного производства, как сообщается, потребуется 35 дней, а его стоимость составит до 400 евро. С помощью 3D-печати тот же инструмент можно изготовить за четыре дня по цене всего 10 евро.

Говорят, что использование 3D-печати для инструментов позволило Volkswagen сэкономить почти 325 000 евро в 2017 году, одновременно улучшив эргономику, производительность и удовлетворенность оператора.

Когда дело доходит до вспомогательных средств производства, 3D-печать быстро развивается как альтернатива более устоявшимся способам изготовления инструментов. Через несколько лет мы, вероятно, увидим, как больше автомобильных OEM-производителей перейдут на инструменты, напечатанные на 3D-принтере, чтобы повысить эффективность своего производства и производительность своих инструментов.

Запасные части

Автопроизводители могут использовать преимущества 3D-печати для создания запасных частей по запросу.

При высоких затратах на складские запасы, связанные с хранением запасных (и часто редко заказываемых) деталей, 3D-печать обеспечивает рентабельное средство для производства необходимых деталей вовремя и по запросу, что приводит к сокращению сроков доставки, сокращению затрат на складские запасы и упрощению цепочки поставок.

Daimler Buses ищет запасные части для 3D-печати

В начале 2020 года Daimler Buses объявила о своих планах по разработке новой бизнес-модели:прямое производство запасных частей для клиентов с помощью 3D-печати.

В настоящее время Центр компетенции Daimler Buses по 3D-печати детально исследует более 300 000 запасных частей для автобусов для такой печати. На данный момент подходящими считаются около 200 штук, например крышки, ручки и различные кронштейны.

Одним из ключевых факторов перехода на 3D-печать таких деталей является возможность ускорить производство и доставку деталей. Daimler Buses заявляет, что эти процессы занимают всего несколько дней вместо нескольких месяцев.

Дополнительное преимущество 3D-печати, указанное Daimler Buses, включает повышение эффективности использования материалов:технология производит значительно меньше отходов, и любой неиспользованный материал можно немедленно использовать для следующего заказа на 3D-печать.

Производство готовых деталей

Последние достижения в области технологии AM и материалов открыли возможность 3D-печати для производства конечных деталей малых и средних размеров. Согласно опросу производителей автомобилей, проведенному Jabil в 2018 году, 40% полагают, что 3D-печать поможет в производстве автомобильных компонентов конечного использования.

Конечные автомобильные детали, напечатанные на 3D-принтере, могут варьироваться от внешних до внутренних, таких как сильфоны, сложные воздуховоды, монтажные кронштейны и компоненты двигателя.

Одним из примеров является Ford:в прошлом году компания объявила о запуске производства конструкционных компонентов с помощью 3D-печати.

Речь идет о запасных частях рычага Ford Focus HVAC (обогрев, вентиляция и охлаждение), вспомогательных заглушках Ford F-150 Raptor и кронштейнах электрического стояночного тормоза Ford Mustang GT500.

Эти компоненты производятся с использованием технологии 3D-печати Carbon Digital Light Synthesis (DLS) и материала EPX (эпоксидная смола) 82 и соответствуют всем эксплуатационным стандартам и требованиям Ford.

3D-печать в автоспорте

Использование AM в качестве конкурентного преимущества при разработке гоночных автомобилей сегодня является стандартной практикой.

В автоспорте 3D-печать стала незаменимым инструментом для производства надежных и точных деталей для испытаний в аэродинамической трубе. Еще одно преимущество - скорость:если необходимо изменить конструкцию, AM упрощает производство компонентов, которые можно тестировать в аэродинамической трубе, намного быстрее.

Многие команды, занимающиеся гоночными автомобилями, также изучают возможности 3D-печати при производстве автомобильных компонентов. Например, команда Alfa Romeo Sauber F1 3D печатает обруч из металлического рулона - критически важную конструкцию безопасности, которая защищает водителя в случае опрокидывания.

Примечательно, что эта деталь изготовлена ​​из легкого металла Scalmalloy, разработанного специально для AM. Комбинируя этот материал с технологией селективной лазерной плавки (SLM), Sauber F1 может производить намного более легкие рулонные пяльцы со сложными внутренними элементами для обеспечения структурной целостности. Он также смог сократить время производственного цикла примерно на 25 процентов.

Проблемы 3D-печати в автомобильной промышленности

Массовое производство

В то время как автомобильные OEM-производители все чаще включают системы AM в разработку и производство, одной из проблем для более широкого внедрения являются объемы производства. Автомобильная промышленность, производящая более 92 миллионов автомобилей только в 2019 году, в значительной степени зависит от массового серийного производства.

На нынешнем этапе 3D-печать не может производить детали с объемом и скоростью, требуемыми автомобильной промышленностью. Таким образом, данная технология не должна заменять традиционные методы производства, хорошо подходящие для массовых объемов, а должна служить дополнительным инструментом для небольших объемов производства по индивидуальному заказу.

Тем не менее, производители оборудования для 3D-печати разрабатывают методы производства в больших объемах, чтобы удовлетворить требованиям автомобильной промышленности. Одна из них - струйная очистка металлического связующего, разработанная такими компаниями, как HP, Desktop Metal, ExOne, а также GE Additive.

Помимо металла, в 3D-принтерах для струйной печати на связке можно использовать порошковые материалы, такие как пластик, песок и керамику, а также связующий агент, чтобы быстро наращивать деталь слой за слоем, используя данные из файла цифрового дизайна.

В отличие от 3D-принтера, который использует лазер или электронный луч и производит одну или две детали за раз, струйная машина для переплета может, например, делать десятки скоб одновременно, потому что область печати намного больше, а слои накапливается намного быстрее.

Однако струйное напыление металлического связующего находится только на ранних стадиях его внедрения в автомобильной промышленности. По словам Матиаса Шмидт-Лера, управляющего партнера консалтинговой фирмы Ampower GmbH &Co, технология струйной обработки вяжущего находится на расстоянии пяти-десяти лет от того, чтобы можно было производить детали в автомобильных объемах.

Размеры сборки

Еще одна проблема, с которой сталкиваются автопроизводители, - это ограниченный размер сборки многих систем AM. Хотя с помощью технологии 3D-печати можно изготавливать более крупные детали, это необходимо делать в виде модульных деталей. Они, в свою очередь, в настоящее время должны быть собраны или прикреплены с помощью других процессов, таких как сварка.

Однако крупномасштабное аддитивное производство является важной и растущей областью исследований, где активно исследуются и разрабатываются технологии, которые могут поддерживать большие размеры сборки, такие как проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) и крупномасштабное аддитивное производство (BAAM).

Пробел в навыках AM

Если мы хотим, чтобы технология получила более широкое распространение, необходимо также рассмотреть дополнительные инвестиции в развитие навыков, специфичных для AM. Дизайн для AM, а также эксплуатация и обслуживание систем AM, материалов и постобработки - все это жизненно важные навыки, которые необходимо развивать и развивать.

Несмотря на то, что сейчас много говорится о существующем дефиците навыков для AM, партнерство с университетами и внутренние программы обучения являются одним из способов обеспечения квалифицированного кадрового резерва, способного работать с особенностями технологии AM.

3D-печать в автомобилестроении:путь впереди

По мере того как автопроизводители продолжают находить новые приложения для 3D-печати, ясно одно:использование 3D-печати для производства конечных деталей становится все более популярным. Последний отчет SmarTech Analysis, исследовательской компании по 3D-печати, подтверждает эту тенденцию, заявляя, что к 2030 году использование AM в автомобильном производстве вырастет до 10 миллиардов долларов.

В этом контексте автомобильная промышленность, вероятно, станет свидетелем еще большего количества функциональных компонентов, напечатанных на 3D-принтере, таких как кронштейны, корпуса и даже детали двигателя.

И, возможно, видение более далекого будущего, перспектива 3D-печати всего автомобиля может быть не такой уж надуманной.

Американский автопроизводитель Local Motors уже тестировал напечатанный на 3D-принтере автономный электрический шаттл Ollie, предназначенный для местных низкоскоростных перевозок.

Большинство компонентов Олли напечатано на 3D-принтере, в том числе крыша и нижняя часть кузова автомобиля.

Хотя для того, чтобы увидеть на дорогах полностью напечатанные на 3D-принтере автомобили, потребуется некоторое время, такие проекты, как Олли из Local Motors, могут приблизить нас на шаг ближе к этой захватывающей возможности.