Как 3D печатът трансформира автомобилното производство

Технологията за 3D печат води до промяна в автомобилното производство по множество начини - проектиране и валидиране на прототипи, производствени инструменти,-производство на части за крайна употреба и сертифициране на процеси и материали - и постепенно движи индустрията към бъдеще, в което цялото превозно средство може да бъде 3D отпечатано. Ето по-отблизо:

Проверки за напасване и сглобяване: Автомобилните производители използват 3D печат, за да произведат бързо -прототипи в пълен мащаб - странични огледала, например - с помощта на FFF/FDM технология за достъпна проверка на напасването на частите и осъществимостта на сглобяването.

Функционално валидиране на прототип: За части, които се нуждаят от висока якост или гладка повърхност (като стойки или аеродинамични комплекти), технологии на базата на смола- и прах- като селективно лазерно синтероване (SLS), комбинирани с композити или найлон, гарантират, че прототипът отговаря на изискванията за производителност.

Пълно{0}}цветни дисплеи на модели: Използват се струйни технологии и 3D мастиленоструйни технологии за производство на пълно-цветни концептуални модели или мащабни макети, поддържащи прегледи на дизайна и пазарни презентации.

Валидирането на прототипа не е изолирана стъпка в процеса на разработка на автомобили - то преминава през целия цикъл на разработка на автомобила. От първоначалната концептуална скица до крайното масово производство, един автомобил обикновено преминава през десетки, понякога стотици повторения на прототип. Въвеждането на 3D принтирането фундаментално промени начина, по който работи този процес.

При традиционен модел на разработка, производството на прототип на едно странично{0}}огледало може да означава свързване със специализиран магазин за инструменти, чакане седмици и плащане на десетки хиляди долари. С настолни или промишлени FFF/FDM 3D принтери инженерите могат да получат физическа част за часове до ден или два, да я монтират директно върху превозното средство за тестване на годността и да проверят дали хлабините са правилни, монтажните отвори са подравнени и външната повърхност отговаря на аеродинамичните очаквания. Този бърз цикъл „дизайн–печат–тест–ревизиране“ позволява на дефектите в дизайна да бъдат уловени и коригирани в началото на проекта, като се избягват огромните разходи за преработка, които идват от откриването на проблем само след като инструментите вече са били изрязани.

За функционални прототипи, които изискват по-висока якост и качество на повърхността - компоненти на шасито, аеродинамични комплекти и други подобни - SLS, комбиниран с найлон или композитни материали, може да произведе части с механичната якост и стабилност на размерите, необходими за по-стриктно валидиране, като тестване в -аеродинамични тунели или изпитване на умора, давайки на инженерите данни, които точно отразяват реалните-условия на използване преди официалното производство започва.

Пълно{0}}цветните концептуални модели, произведени с струйна обработка на материали и 3D мастилено-струйна технология, междувременно служат за различна цел - в подкрепа на срещи за преглед на дизайна и проучване на пазара. Дизайнерите и ръководителите могат физически да държат и разглеждат пълен-мащаб или умален-надолу, пълно-цветен модел на среща за-вземане на решения, вместо да разчитат единствено на визуализации или-визуалности на екрана -, което значително подобрява качеството на комуникацията при дизайна и-вземането на решения.

Лек, ергономичен дизайн: 3D отпечатаните приспособления и приспособления са по-леки и по-ергономични от традиционните метални инструменти, намалявайки умората на оператора и подобрявайки безопасността на производствения етаж. BMW, например, използва 3D отпечатани ортопедични устройства, за да намали напрежението на палеца на работниците на линията.

Спестяване на разходи и време: Производството на традиционните инструменти може да отнеме седмици и да струва много, докато 3D принтирането може да достави инструменти в рамките на дни, с много по-голяма геометрична свобода и по-малко ограничения върху крайния дизайн на частта.

Форми и оптимизиране на топологията: Инжекционните форми за пластмасови части и сърцевините за метални отливки могат да бъдат 3D отпечатани със сложни геометрии, поддържащи топологично-оптимизирани дизайни (като органични, био-вдъхновени форми), които намаляват използването на материал, като същевременно запазват здравината. GM и Volvo, наред с други, вече са възприели този подход за съкращаване на времето за доставка и намаляване на разходите.

В сравнение със собствените компоненти на превозното средство, приложението на 3D печат в производствените инструменти и помощните средства за производство често се пренебрегва -, но въздействието му върху ежедневната ефективност на завода и благосъстоянието на работниците е също толкова дълбоко. На традиционната поточна линия работниците използват метални приспособления, ръчни инструменти и позициониращи приспособления стотици или хиляди пъти на ден. Повтарящите се движения и тежестта на металните инструменти могат да доведат до синдром на карпалния тунел, разтягане на палеца и други наранявания при -повтаряща се употреба с течение на времето.

След въвеждането на персонализирани 3D отпечатани ортопедични устройства и олекотени приспособления, BMW и други автомобилни производители успяха да намалят теглото на инструментите няколко пъти, като същевременно проектират инструменти според формата на ръката на конкретния работник и навиците за захващане -, значително намалявайки умората на оператора и намалявайки процента на наранявания на работното място. Случаи като този показват, че стойността, която носи триизмерният печат, не се ограничава до подобряване на производителността на самите части -, а също така е от пряка полза за хората, работещи на производствената линия.

От страна на формоването, компании като GM и Volvo използват 3D печат, за да произвеждат сърцевини за шприцформи, като прилагат алгоритми за оптимизиране на топологията, за да проектират органични, био{1}}вдъхновени геометрии, които поддържат здравината на матрицата и експлоатационния живот, като същевременно значително намаляват използването на материали и времето за производство. В сравнение с традиционните стоманени инструменти, чието машинно изработване може да отнеме месеци, 3D отпечатаните форми могат да бъдат произведени за дни до седмици - значително свивайки производствения-срок за готовност за нови компоненти на превозни средства и ускорявайки колко бързо нов модел може да достигне до пазара.

Луксозни превозни средства и производство по поръчка: Висок-марки като Rolls-Royce и Porsche използват 3D печат, за да произвеждат малки-партиди персонализирани части - интериорни бутони, компоненти за ръчна спирачка и подобни части -, за да отговорят на персонализираните заявки на клиентите. BMW предлага десетки хиляди 3D отпечатани компоненти за Phantom, а компании като Ferrari използват технологията за бързо итериране на интериорния дизайн.

Резервни части при-заявка: Audi и други автомобилни производители предлагат 3D отпечатани резервни части както за настоящи, така и за по-стари модели превозни средства, намалявайки разходите за инвентар и съкращавайки времето за доставка на веригата. Редки части за класически модели, например, могат да бъдат произведени бързо от дигитален дизайн, като се избягват високите разходи за традиционни инструменти.

Едно от основните ценностни предложения за марките луксозни автомобили е предлагането на клиентите на наистина единствено-{1}}-изживяване. Клиентите на марки като Rolls-Royce и Porsche често са готови да платят повече за изключително персонализирани интериорни детайли - интериорен бутон, гравиран с монограма на клиента, например, или ръчна спирачка, оформена според предпочитанията на конкретния собственик. Създаването на отделна форма за всеки отделен клиент очевидно не е реалистично при традиционното производство - цената и времето просто не работят.

3D печатът решава точно това напрежение „малка партида, висока персонализация“. Подразделението на Rolls-Royce на BMW предлага десетки хиляди избираеми 3D отпечатани компоненти за Phantom, позволявайки на клиентите да избират от огромен каталог от опции - или дори да поискат изцяло нови персонализации -, без производствената страна да трябва да разработва отделна форма за всеки вариант. Марки суперавтомобили като Ferrari възприемат подобен подход, използвайки технологията за бърза итерация и малко{7}}серийно пробно производство на интериорни детайли, съкращавайки времето, необходимо за преминаване от концепцията до производството на интериора на нов модел.

Освен новото{0}}персонализиране на превозното средство, 3D отпечатването също така осигурява значителна стойност при доставката на резервни части. Производителите на автомобили с дълга история и голяма гама от минали модели, като Audi, трябва да продължат да доставят части за класически превозни средства, които са на десетилетия -, но оригиналните инструменти за много от тези редки части отдавна са бракувани и повторното изрязване на калъп е скъпо, особено когато някога ще са необходими само няколко единици, което го прави лошо икономическо предложение.

Чрез дигитализиране на 3D данните за тези редки части производителите на автомобили могат да ги произвеждат при поискване чрез 3D принтиране, когато клиентът има нужда от такава -, без да носи голям физически инвентар, който обвързва складово пространство, и без високата-единична цена за преоборудване за малка производствена серия. Този модел на „дигитален склад“ се превръща в нарастваща тенденция в доставката на части за класически и-автомобили с ограничено издание.

Консолидиране на вертикалното окачване: Carbon Performance комбинира девет отделни компонента от вертикалното окачване на спортен автомобил Lotus в една 3D отпечатана алуминиева част, намалявайки теглото и подобрявайки твърдостта.

Иновация в спирачния апарат: 3D отпечатаният титаниев спирачен апарат на Bugatti премина тестване под налягане, демонстрирайки здравина и издръжливост, превъзхождащи традиционно произвежданите апарати.

Интегрирани канали за охлаждане: BMW отпечатва канали за охлаждащата течност директно в главите на цилиндрите от серията M-, оптимизирайки термичното управление за повишаване на производителността на двигателя.

Отпечатване на пълна структура на превозното средство: Local Motors 3D отпечата каросерията на своето електрическо превозно средство Strati, а Honda отпечата странични панели за своята концепция Micro Commuter -, като и двете демонстрират потенциала на 3D печата на структурно ниво на цялото-автомобил.

Консолидацията на Carbon Performance на девет отделни компонента на окачването на спортен автомобил Lotus изправени в една 3D отпечатана алуминиева част е особено показателен пример, защото разкрива едно от основните предимства, които отличават 3D печата от традиционното производство: консолидация на части. Традиционното производство, ограничено от това как частите се обработват и сглобяват, често изисква разбиване на сложен функционален компонент на няколко по-прости части, които се обработват отделно и след това се съединяват заедно с болтове или заварки. Всяко едно от тези съединения е потенциално слабо място и потенциален риск от повреда, а също така добавя време за сглобяване и усложнява-контрола на качеството.

Логиката на адитивното-производство зад 3D принтирането напълно нарушава това ограничение. Дизайнерите могат да започнат директно от функционалното изискване и да проектират единична интегрирана сложна структура -, сгъваща функцията на девет отделни части в един печатен компонент. Това не само намалява броя на частите и сложността на сглобяването, но също така - чрез премахване на множество съединения - значително подобрява цялостната структурна твърдост и надеждност, като същевременно постига спестяване на тегло.

3D отпечатаният титаниев спирачен апарат на Bugatti по подобен начин илюстрира потенциала на 3D печата в компонентите с екстремна-производителност. Спирачните апарати трябва да издържат на огромно спирачно налягане и повтарящи се термични цикли. Титаниевият шублер на Bugatti, произведен чрез 3D принтиране, премина през строги тестове под налягане и демонстрира здравина и издръжливост, които превъзхождаха шублери, направени чрез традиционно коване или леене - доказателство, че производството на добавки вече може да се конкурира-в-с традиционните процеси за висока-производителност, безопасност-критични компоненти.

3D отпечатаното електрическо превозно средство Strati на Local Motors и 3D отпечатаните странични панели на Honda за концепцията Micro Commuter представляват ранно изследване на 3D печата, което се простира от нивото на компонентите до структурните приложения на цялото- превозно средство. Докато тези проекти понастоящем остават до голяма степен на етап-валидиране на концепция и етап на-производство на малки-сериди-те, те демонстрират осъществимостта на 3D принтиране за големи структурни компоненти-на ниво каросерия, изграждайки ценен технически опит и данни към по-голям{10}}мащабно пълно{11}}3D отпечатване на превозни средства надолу по пътя.

Напредък в стандартизацията и сертифицирането: Проектът SYMPA разработва -сертифицирани SLA смоли за автомобили. Проектът IDAM, координиран от BMW, се фокусира върху индустриализирането на адитивните производствени процеси и системите за автоматизация. Проектът NextGenAM си партнира с аерокосмическия сектор за оптимизиране на ефективността на производството.

Намаляване на бариерата за производителите: След като процесите и материалите за печат бъдат сертифицирани, малките и средните-компании могат да приемат съвместим хардуер директно за производство на части, без да поемат високите разходи за независимо сертифициране -, което ускорява приемането на 3D печат в автомобилната индустрия.

Работата по стандартизация и сертифициране често е най-лесно пренебрегваната, но и най-критичната част от преместването на нова технология от лабораторията в широко{0}}промишлено приложение. Автомобилната индустрия има изключително строги регулаторни изисквания относно характеристиките на материалите и стандартите за безопасност на компонентите - дори нов материал или процес, който се представя впечатляващо на техническо ниво, няма да бъде широко разпространен в производствените превозни средства без сертифициране от индустрията.

Проектът SYMPA се фокусира върху разработването на автомобилни -сертифицирани SLA фоточувствителни смолисти материали, изчиствайки пътя за съответствие за-базирани на смола 3D печатни материали, които да навлязат във веригата за доставка на автомобилни части. Проектът IDAM, координиран от BMW, се фокусира върху индустриалната интеграция на целия работен процес за адитивно производство със системи за автоматизация, изследвайки как да трансформирате процес на 3D печат, който в момента разчита силно на ръчна намеса, в такъв, който може да работи стабилно и в мащаб в автоматизирана производствена линия. Проектът NextGenAM отива крачка напред, като си партнира с аерокосмическата индустрия за съвместно оптимизиране на ефективността на производството на метални добавки -, тъй като аерокосмическата промишленост е натрупала по-зрял опит в контрола на качеството и сертифицирането за метален 3D печат, а този вид между-индустриално сътрудничество помага за ускоряване на съзряването на технологиите в автомобилния сектор.

След като тези рамки за сертифициране бъдат установени и въведени, те значително ще намалят бариерата пред малките и средни-производители да приемат 3D печат. Днес независимото завършване на сертифициране на материали и процеси изисква значителна инвестиция на време и пари - често повече, отколкото една по-малка компания може да понесе. След въвеждането на индустриални стандарти и процеси за сертифициране, по-малките компании могат да приемат вече-сертифицирани, съвместими хардуерни и материални системи директно за производство, без да дублират тази инвестиция за сертифициране. Това драстично ще ускори разпространението на 3D печата в цялата автомобилна верига за доставки, особено ще позволи на второ- и трето-доставчиците на части също да се възползват от ефективността, която предлага технологията.

Осъществимостта на изцяло 3D отпечатано превозно средство: Тъй като технологията за 3D принтиране узрява за основни компоненти като батерии, двигатели и сензори, бъдещите превозни средства може в крайна сметка да бъдат отпечатани изцяло, от двигателя до колелата. Вече съществуват магнити за отпечатване, например - 3D отпечатването на електрически мотор трябва да преодолее предизвикателствата при автоматизираното сглобяване и съвместимостта на материалите.

Предизвикателства при автоматизирано сглобяване: Настоящите пречки включват способността на роботизираните системи да интегрират части, идващи от множество принтери. Проекти като IDAM изграждат усъвършенствани производствени съоръжения, за да помогнат за постигането на тази цел напред.

Очаквана трансформация на индустрията: Докато летящите автомобили остават далечна перспектива, 3D отпечатаните коли могат да преминат от концепция към производство през следващото десетилетие, прекроявайки фундаментално веригите за доставки и производствените модели на традиционното автомобилно производство.

Истинското постигане на „напълно 3D отпечатано превозно средство“ изисква решаване на нещо повече от просто отпечатване на структурата на каросерията - по-централното предизвикателство се крие в адитивното производство на силно интегрирани основни компоненти като батерии, двигатели и сензори. Магнитните материали за печат вече са постигнали пробив, което означава, че постоянните магнити в сърцето на електрическия мотор вече могат да бъдат произведени чрез печат, поставяйки материална основа за по-нататъшно интегриране на производството на мотори в процеса на печат. Пълното 3D отпечатване на цял двигател обаче все още изисква решаване на предизвикателството за съвместно отпечатване на множество различни материали и функционални модули - намотки на бобини, изолационни материали, охлаждащи структури и други -, което остава ключов фокус на текущите технически изследвания.

Дори след като всеки отделен компонент може да бъде произведен чрез 3D принтиране, способността на автоматизирания етап на сглобяване е също толкова критична за постигане на -производство в мащаб на превозни средства. Текущото затруднение в индустрията е, че роботизираните системи, когато интегрират части, идващи от различни принтери и различни производствени партиди, често се нуждаят от персонализирани-програмирани пътища за захващане и сглобяване за всеки тип част -, като им липсва гъвкавостта и многофункционалността, необходими за справяне с високото-смесване, ниските-естество на производството на 3D отпечатани части. Индустриални сътрудничества като проекта IDAM работят за изграждане на по-усъвършенствани автоматизирани производствени съоръжения, изследвайки как да направят роботизираните системи по-интелигентно адаптивни към разнообразието от 3D отпечатани части - критичен праг, който трябва да бъде преминат, за да се постигне мащабно производство на изцяло 3D отпечатани превозни средства.

Въпреки че производството на напълно 3D отпечатан летящ-автомобил, готов за движение по пътищата, засега остава далечна перспектива, текущата траектория на технологичното развитие предполага, че 3D отпечатаните коли могат постепенно да преминат от утвърждаване на концепцията към производство в малък-мащаб през следващото десетилетие. Тази промяна ще включва повече от просто надграждане на ниво-производствен процес -, то ще промени фундаментално структурата на веригата за доставки и производствената организация на традиционната автомобилна индустрия, като се отдалечи от модел, изграден върху-мащабно стандартизирано производство и централизирана инвестиция в инструменти, към по-гъвкав, разпределен, по-модел на дигитално производство по заявка.

Чрез съкращаване на циклите на разработка, намаляване на производствените разходи и позволяване на сложни дизайни, 3D принтирането се превърна в основен двигател на иновациите в автомобилното производство. Докато пробивите в науката за материалите и автоматизацията продължават, ерата на изцяло 3D отпечатаното превозно средство наближава -, което носи на индустрията безпрецедентна ефективност и потенциал за персонализиране. От бърза итерация по време на валидиране на прототип, до леки надстройки в производствените инструменти, до персонализирано и-по заявка край-производство на части за употреба, чак до бъдещата визия на изцяло отпечатано превозно средство, 3D печатът систематично променя всеки етап от автомобилното производство, тласкайки цялата индустрия към по-голяма ефективност, гъвкавост и персонализация.