Приложения на 3D печат в автомобилната промишленост

Технологията за 3D печат променя автомобилната индустрия по редица начини, от производство на части и производство на матрици до съкратени цикли на научноизследователска и развойна дейност, олекотен интегриран дизайн и дори по-широки промени в индустриалната верига на доставки. Въпреки че технологията все още е изправена пред реални ограничения, когато става дума за широкомащабно-масово производство, нейната стойност като спомагателен инструмент при разработването на превозни средства стана широко призната в индустрията. По-долу е даден подробен поглед върху това как 3D печатът се прилага днес, заедно с честен отчет за това къде все още не достига.

3D печатът вече се използва за производство на пластмасови и метални автомобилни компоненти. Технологията за 3D печат на пластмаса е много подходяща за не-критични части, като вътрешни контролни панели и компоненти на таблото, където толерансите на размерите са по-малко взискателни и итерацията на дизайна е по-важна от грубата механична якост. Металният 3D печат, обратно, все повече се прилага за сложни части като двигателни блокове и цилиндрови глави - компоненти със сложни вътрешни геометрии, които са трудни или скъпи за производство чрез конвенционално леене.

Един забележителен пример е техника за{0}}свободно леене без шаблон, която е използвана за съкращаване на производствения цикъл на компонентите на двигателя от традиционните три{1}}до-четири месеца, необходими за инструментална обработка, до само две седмици, като същевременно намалява разходите с някъде от няколкостотин хиляди до няколко милиона юана. Този вид печалба е възможна, тъй като технологията заобикаля необходимостта от проектиране, машинна обработка и валидиране на физическа форма, преди да може да бъде произведена една част - стъпка, която традиционно отнема по-голямата част от времето за разработване на компоненти на двигателя.

Въпреки това, ограниченията на технологията са също толкова важни за разбиране, колкото и нейните силни страни. Основни системи като задвижване, окачване, батериен пакет, гуми, колела, кабелни снопове, електрически двигатели и предни стъкла все още разчитат почти изцяло на традиционни производствени методи. 3D печатът не може директно да произвежда прецизни електронни компоненти като кабели, платки или сензори - те остават твърдо в областта на установените производствени процеси на електрониката и няма индикация, че добавките производството ще ги измести в близко бъдеще. На практика това означава, че 3D печатът днес функционира като допълнение, а не като заместител на конвенционалното автомобилно производство.

Едно от най-ясните предимства на 3D печата в автомобилния контекст е бързото създаване на прототипи за форми и инструменти. Тъй като технологията изгражда части директно от компютърни графични данни, без да изисква машинна обработка или физическа форма, тя може да генерира компоненти с почти всякаква форма при поискване. Това драстично съкращава цикъла на разработка и производство на автомобилни форми в сравнение с конвенционалните методи.

Когато традиционното разработване на матрици може да отнеме няколко месеца -, което включва проектиране, производство на инструменти, пробни пускания и цикли на коригиране - 3D печатът може да съкрати същата времева линия до няколко седмици, като същевременно намалява разходите за научноизследователска и развойна дейност. Това предимство в скоростта се комбинира с цялата програма за превозни средства: матрица, която може да се повтори за дни, а не за седмици, позволява на инженерните екипи да тестват повече варианти на дизайна, преди да се ангажират със скъпи производствени инструменти.

Гледайки по-напред, мнозина в индустрията разглеждат 3D печата като потенциална бъдеща посока за производството на автомобилни форми в по-широк план. Чрез намаляване на зависимостта от традиционните процеси на щамповане и коване за определени приложения, адитивното производство може да помогне за насочване на производството на матрици към по-ефективен, по-ниски-разходен модел - особено за малък-обем или силно персонализирани работни инструменти, където първоначалната цена на конвенционалните матрици е трудно оправдаема.

Автомобилните производители използват предимствата на бързото{0}}прототипиране на 3D принтирането, за да съкратят значително времето, необходимо за валидиране на външния дизайн и производство на модел. Докато циклите на разработване на нови превозни средства някога рутинно надхвърляха две години, сега много програми са компресирани до под една година. Това ускорение не се случва във вакуум - то е пряк отговор на засилващата се пазарна конкуренция. Само през 2014 г. на китайския пазар бяха пуснати 328 нови модела превозни средства и това ниво на конкурентен натиск накара производителите да възприемат 3D принтирането като начин за повишаване на ефективността на научноизследователската и развойната дейност и по-бързото пускане на нови проекти на пазара.

Освен необработената скорост, 3D принтирането поддържа и едновременното, синхронизирано разработване на дизайна на продукта и производствените процеси. Вместо да работят през строго последователен работен процес на проектиране-след-изграждане, инженерните и производствените екипи могат да повтарят паралелно, което намалява забавянията, причинени от-и-ревизии. Бързото прототипиране също така позволява дефектите в дизайна да излязат наяве по-рано, намалявайки общия риск при разработката, преди дизайнът да бъде заключен за инструментална екипировка.

Структурната оптимизация е една от областите, в които 3D печатът предлага предимства, които са трудни за възпроизвеждане с традиционното производство. Компоненти, които някога са изисквали сглобяване на хиляди или повече отделни части, в някои случаи могат да бъдат консолидирани само в няколко десетки отпечатани части. Когато се комбинира с композитни материали като въглеродни влакна, този вид консолидация на части може да доведе до значително намаляване на общото тегло на автомобила.

Превозните средства, които включват 3D-отпечатани структурни елементи като част от интегриран дизайнерски подход, се възползват от по-малко стъпки на сглобяване и, в много случаи, подобрена обща производителност - намаляването на теглото директно поддържа по-добра ефективност и характеристики на управление. Тази парадигма на дизайна все повече се разглежда като сочеща към нова посока за автомобилното производство като цяло, която може да тласне по-широката индустрия към по-ефективни и по-екологично устойчиви производствени методи с течение на времето, тъй като консолидираните дизайни обикновено също така намаляват материалните отпадъци и опростяват разглобяването в края на--животния цикъл.

Традиционното производство на автомобили зависи от сложни, често глобални вериги за доставки, като компонентите се доставят от множество държави преди окончателното сглобяване. 3Технологията за D печат има потенциала да промени този модел, като позволява концентрирането на дизайна, снабдяването, производството, продажбите и рециклирането в един регион, намалявайки зависимостта от-логистиката на дълги разстояния.

Забележителна илюстрация на тази промяна е концептуално превозно средство, което постигна локализирано производство чрез 3D принтиране, намалявайки-разходите за трансгранична доставка и времето за доставка, които обикновено идват с глобално разпределена верига за доставки. В по-широк план, 3D печатът поддържа малки-сериди, силно персонализирано производство, което се съгласува добре с по-широкото преминаване на индустрията от широкомащабно-стандартизирано производство към по-гъвкави производствени модели. Тази гъвкавост помага на производителите да реагират по-бързо на променящото се пазарно търсене - възможност, която става все по-ценна, тъй като потребителските предпочитания се фрагментират и жизненият цикъл на автомобила се скъсява.

Въпреки тези предимства, 3D печатът все още не може да се конкурира с традиционните процеси на щамповане и коване, когато става въпрос за широкомащабно, стандартизирано производство. Няколко фактора продължават да ограничават по-широкото възприемане: производителността на материала все още изостава от тази на конвенционално произведените метални части в някои приложения, качеството на повърхността обикновено изисква допълнителни стъпки за последваща-обработка като полиране и боядисване, а-цената на част при обем остава трудна за оправдаване спрямо установените методи за масово-производство. Превозните средства, произведени в мащаб, също трябва да отговарят на строги регулаторни изисквания и в много юрисдикции материалните свойства на 3D-отпечатаните компоненти все още не са напълно валидирани спрямо тези стандарти.

Съществува и структурна празнина в таланта и зрелостта на веригата за доставки. Понастоящем в индустрията липсват достатъчно професионалисти, които са добре запознати с принципите на проектиране, специфични за адитивното производство - проектирането за 3D печат изисква наистина различно мислене от проектирането за щамповани или машинно обработени части. В същото време по-широката поддържаща екосистема, включително доставчици на специализирани материали и доставчици на услуги за последваща-обработка, все още се развива и все още не е достигнала нивото на зрялост, наблюдавано в традиционните автомобилни вериги за доставки.

Като се имат предвид тези ограничения, 3D печатът вероятно ще види най-големия си растеж в-срочен план като спомагателен инструмент, използван предимно по време на фазата на научноизследователска и развойна дейност на разработката на превозни средства, където може да оптимизира работните потоци на дизайна чрез бързо създаване на прототипи и да намали необходимостта от скъпи физически форми по време на ранните етапи на валидиране.

В по-дългосрочен план най-обещаващият път напред може да включва комбиниране на 3D печат с традиционни производствени методи - например, използване на 3D-отпечатани форми във връзка с конвенционални процеси на щамповане - за постигане на баланс между разходи и ефективност. Този вид хибриден подход би могъл постепенно да разшири диапазона от сценарии, при които адитивното производство става практично за по--обемно производство, вместо да изисква технологията да се конкурира--с щамповане и коване при свои собствени условия.

Тъй като технологията продължава да се развива, се очаква внедряването в индустрията да продължи да расте, особено в сегментите на персонализирани превозни средства от висок клас и в сектора на превозните средства с нова енергия, където по-малките производствени тиражи, по-бързото повторение на дизайна и консолидацията на частите са в съответствие особено добре с това, което 3D печатът прави най-добре. В тези сегменти стойността на адитивното производство вероятно ще стане все по-очевидна - не като заместител на едро на традиционното автомобилно производство, а като все по-незаменимо допълнение към него.