Hur 3D-utskrift förändrar biltillverkning

3D-utskriftsteknik driver förändringar inom biltillverkning på flera sätt - prototypdesign och validering, produktionsverktyg, slut-tillverkning av delar och process- och materialcertifiering - och flyttar gradvis branschen mot en framtid där ett helt fordon kan 3D-printas. Här är en närmare titt:

Passnings- och monteringskontroller: Biltillverkare använder 3D-utskrift för att snabbt producera full-prototyper av - sidospeglar, till exempel - med FFF/FDM-teknik för att överkomligt verifiera delpassning och monteringsmöjligheter.

Funktionell prototypvalidering: För delar som behöver hög hållfasthet eller en slät ytfinish (som fästen eller aerodynamiska kit), harts- och pulver-baserad teknik som Selective Laser Sintering (SLS), kombinerat med kompositer eller nylon, se till att prototypen uppfyller prestandakraven.

Full-färgmodellskärmar: Materialstråle- och 3D-bläckstråleteknik används för att producera konceptmodeller i full-färg eller skala mockups, som stödjer designrecensioner och marknadspresentationer.

Prototypvalidering är inte ett isolerat steg i fordonsutvecklingsprocessen - det löper genom hela fordonsutvecklingscykeln. Från en första konceptskiss till slutlig massproduktion går en bil vanligtvis igenom dussintals, ibland hundratals, prototypupprepningar. Införandet av 3D-utskrift har i grunden förändrat hur denna process fungerar.

Enligt en traditionell utvecklingsmodell kan det innebära att ta fram en prototyp för en enstaka-sidospegel, att man kontaktar en specialiserad verktygsbutik, väntar veckor och betalar tiotusentals dollar. Med stationära eller industriella FFF/FDM 3D-skrivare kan ingenjörer få en fysisk del på timmar till en dag eller två, montera den direkt på fordonet för passningstestning och kontrollera om utrymmena är rätt, monteringshålen är i linje och den yttre ytan matchar aerodynamiska förväntningar. Denna snabba "design–print–test–revision"-slinga låter designbrister fångas upp och korrigeras tidigt i projektet, vilket undviker de enorma omarbetningskostnaderna som uppstår när ett problem upptäcks först efter att verktyget redan har minskat.

För funktionella prototyper som kräver högre hållfasthet och ytkvalitet - kan chassikomponenter, aerodynamiska satser och liknande - SLS kombinerat med nylon eller kompositmaterial producera delar med den mekaniska styrka och dimensionsstabilitet som krävs för en mer rigorös validering, såsom vind-tunneltestning eller utmattningstestning, vilket ger ingenjörer{3} verkliga förhållanden som kan användas på nära håll{3}.

Konceptmodeller i full-färg som producerats med materialsprutning och 3D-bläckstråleteknik tjänar samtidigt ett annat syfte - och stödjer möten med designgranskningar och marknadsundersökningar. Designers och chefer kan fysiskt hålla och undersöka en full-eller nedskalad-full-färgmodell i ett besluts-möte, snarare än att enbart förlita sig på renderingar eller på-skärmbilder - vilket avsevärt förbättrar kvaliteten på designkommunikation och beslutsfattande{10}}.

Lätt, ergonomisk design: 3D-tryckta jiggar och fixturer är lättare och mer ergonomiska än traditionella metallverktyg, vilket minskar förarens trötthet och förbättrar säkerheten på fabriksgolvet. BMW, till exempel, använder 3D-utskrivna ortotiska enheter för att minska tumbelastningen för linjearbetare.

Kostnads- och tidsbesparingar: Traditionellt verktyg kan ta veckor att producera och kosta en hel del, medan 3D-utskrift kan leverera verktyg inom några dagar, med mycket större geometrisk frihet och färre begränsningar för den slutliga delens design.

Formar och topologioptimering: Formsprutningsformar för plastdelar och kärnor för metallgjutning kan 3D-utskrivas med komplexa geometrier, som stödjer topologi-optimerade design (som organiska, bio-inspirerade former) som minskar materialanvändningen samtidigt som styrkan bibehålls. GM och Volvo, bland andra, har redan anammat detta tillvägagångssätt för att förkorta ledtiderna och sänka kostnaderna.

Jämfört med fordonets egna komponenter förbises ofta 3D-utskrifts tillämpning i produktionsverktyg och tillverkningshjälpmedel - men dess inverkan på den dagliga anläggningens effektivitet och arbetarnas välbefinnande är lika djup. På ett traditionellt löpande band använder arbetare metallfixturer, handverktyg och positioneringsjiggar hundratals eller tusentals gånger om dagen. De upprepade rörelserna och vikten av metallverktyg kan leda till karpaltunnelsyndrom, tummen och andra upprepade-bruksskador över tid.

Efter att ha introducerat skräddarsydda 3D-utskrivna ortotiska enheter och lättviktsfixturer har BMW och andra biltillverkare kunnat minska verktygsvikten flera gånger, samtidigt som de designat verktyg kring en specifik arbetares handform och greppvanor -, vilket på ett meningsfullt sätt minskat förarens trötthet och sänkt frekvensen av arbetsplatsskador. Fall som detta visar att värdet som 3D-utskrift ger inte är begränsat till att förbättra prestandan för själva delarna - det gynnar också direkt de personer som arbetar med produktionslinjen.

På formningssidan använder företag som GM och Volvo 3D-utskrift för att producera kärnor för formsprutningsformar, och tillämpar topologioptimeringsalgoritmer för att designa organiska, bio-inspirerade geometrier som bibehåller formstyrkan och livslängden samtidigt som materialanvändning och produktionstid drastiskt minskar. Jämfört med traditionella stålverktyg, som kan ta månader att bearbeta, kan 3D-tryckta formar produceras på dagar till veckor - vilket avsevärt komprimerar produktions-beredskapstiden för nya fordonskomponenter och påskyndar hur snabbt en ny modell kan nå marknaden.

Lyxfordon och specialtillverkning: Avancerade-märken som Rolls-Royce och Porsche använder 3D-utskrift för att producera små-partier av anpassade delar - interiörknappar, parkeringsbromskomponenter och liknande delar - för att möta personliga kundförfrågningar. BMW erbjuder tiotusentals 3D-utskrivna komponenter till Phantom, och företag som Ferrari använder tekniken för att snabbt upprepa inredningsdesign.

Reservdelar på-begäran: Audi och andra biltillverkare erbjuder 3D-utskrivna reservdelar för både nuvarande och äldre fordonsmodeller, vilket minskar lagerkostnaderna och förkortar ledtiderna i leveranskedjan. Sällsynta delar till klassiska modeller, till exempel, kan produceras snabbt från digitala mönster, vilket undviker de höga kostnaderna för traditionella verktyg.

Ett av kärnvärdeförslagen för lyxbilsmärken är att erbjuda kunderna en -enastående-upplevelse. Kunder av märken som Rolls-Royce och Porsche är ofta villiga att betala en premie för mycket anpassade inredningsdetaljer -, en interiörknapp graverad med en kunds monogram, till exempel, eller en parkeringsbroms formad efter en specifik ägares önskemål. Att skapa en separat form för varje enskild kund är helt klart inte realistiskt under traditionell tillverkning - kostnaden och tiden fungerar helt enkelt inte.

3D-utskrift löser exakt denna "liten batch, hög anpassning"-spänning. BMW:s Rolls-Royce-division erbjuder tiotusentals valbara 3D-tryckta komponenter för Phantom, vilket låter kunderna välja från en stor katalog av alternativ - eller till och med begära helt nya anpassningar - utan att produktionssidan behöver utveckla en separat form för varje variant. Superbilmärken som Ferrari använder sig av tekniken för snabb iteration och liten-provproduktion av interiördetaljer, vilket förkortar tiden det tar att gå från idé till produktion för en ny modells interiör.

Utöver anpassning av nya-fordon, ger 3D-utskrift också ett betydande värde i leverans av reservdelar på eftermarknaden. Biltillverkare med en lång historia och ett stort utbud av tidigare modeller, som Audi, måste fortsätta att leverera delar till klassiska fordon som är decennier gamla - men originalverktyget för många av dessa sällsynta delar har för länge sedan skrotats, och att skära om en form är dyrt, särskilt när bara en handfull enheter någonsin kommer att behövas, vilket gör det till ett dåligt ekonomiskt förslag.

Genom att digitalisera 3D-data för dessa sällsynta delar kan biltillverkare producera dem på begäran via 3D-utskrift närhelst en kund behöver en - utan att ha ett stort fysiskt lager som binder upp lagerutrymme och utan den höga kostnaden per-enhet för omverktyg för en liten produktionsserie. Denna "digitala lager"-modell blir en växande trend inom reservdelsförsörjning för klassiska och begränsade-fordon.

Fjädring upprätt konsolidering: Carbon Performance kombinerade nio separata komponenter i en Lotus sportbils fjädring upprätt till en enda 3D-printad aluminiumdel, vilket minskade vikten och förbättrade styvheten.

Innovation av bromsok: Bugattis 3D-tryckta bromsok i titan klarade trycktestning, vilket visar styrka och hållbarhet som är överlägsen traditionellt tillverkade bromsok.

Integrerade kylkanaler: BMW skriver ut kylvätskekanaler direkt i M--seriens cylinderhuvuden, vilket optimerar värmehanteringen för att öka motorns prestanda.

Utskrift av fullständig fordonsstruktur: Local Motors 3D skrev ut karossen på sitt elfordon Strati, och Honda tryckte sidopaneler för sitt Micro Commuter-koncept - som båda visar potentialen med 3D-utskrift på hela-fordonsstrukturen.

Carbon Performances konsolidering av nio separata komponenter i en Lotus-sportbils fjädring upprätt till en enda 3D-printad aluminiumdel är ett särskilt talande exempel, eftersom det avslöjar en av de grundläggande fördelarna som skiljer 3D-utskrift från traditionell tillverkning: delkonsolidering. Traditionell tillverkning, begränsad av hur delar bearbetas och monteras, kräver ofta att en komplex funktionell komponent bryts i flera enklare delar som bearbetas separat och sedan sammanfogas med bultar eller svetsar. Var och en av dessa leder är en potentiell svag punkt och en potentiell felrisk, och var och en tillför också monteringstid och komplexitet för kvalitetskontroll.-

Den additiva-tillverkningslogiken bakom 3D-utskrift bryter den begränsningen helt. Designers kan börja direkt från det funktionella kravet och designa en enda integrerad komplex struktur - som viker funktionen av nio separata delar till en tryckt komponent. Detta minskar inte bara antalet delar och sammansättningens komplexitet, utan också - genom att eliminera flera leder - förbättrar den totala strukturella styvheten och tillförlitligheten avsevärt, samtidigt som det uppnår viktbesparingar.

Bugattis 3D-tryckta bromsok i titan illustrerar på liknande sätt 3D-utskrifts potential i komponenter med extrema-prestanda. Bromsok måste tåla ett enormt bromstryck och upprepad termisk cykling. Bugattis titanok, producerad via 3D-utskrift, genomgick rigorösa trycktester och visade styrka och hållbarhet som överträffade bromsok gjorda genom traditionell smidning eller gjutning - bevis på att additiv tillverkning nu kan konkurrera huvud-manöver med traditionella säkerhetsprocesser på högpresterande{},{9}kritiska komponenter.{9}

Local Motors 3D-printade Strati-elfordon och Hondas 3D-printade sidopaneler för Micro Commuter-konceptet representerar tidig utforskning av 3D-utskrift som sträcker sig från komponentnivå upp till hela-fordonsstrukturella tillämpningar. Även om dessa projekt för närvarande till stor del befinner sig i koncept-validering och små-batch-produktionsstadiet, demonstrerar de genomförbarheten av 3D-utskrift för strukturella komponenter på-kroppsnivå, vilket bygger upp värdefull teknisk erfarenhet och data mot större-fullskalig-utskrift i 3D-fordon.

Avancerad standardisering och certifiering: SYMPA-projektet utvecklar -certifierade SLA-hartser för fordon. IDAM-projektet, koordinerat av BMW, fokuserar på att industrialisera additiva tillverkningsprocesser och automationssystem. NextGenAM-projektet samarbetar med flygsektorn för att optimera produktionseffektiviteten.

Sänk barriären för tillverkare: När utskriftsprocesser och material är certifierade kan små och medelstora-företag använda kompatibel hårdvara direkt för att producera delar, utan att bära de höga kostnaderna för oberoende certifiering - vilket påskyndar införandet av 3D-utskrift i bilindustrin.

Standardiserings- och certifieringsarbete är ofta den enklaste förbises, men ändå mest kritiska, delen av att flytta en ny teknik från labbet till storskalig industriell tillämpning.- Fordonsindustrin har extremt strikta regulatoriska krav kring materialprestanda och säkerhetsstandarder för komponenter - även ett nytt material eller en process som presterar imponerande på en teknisk nivå kommer att kämpa för att bli allmänt accepterad i produktionsfordon utan branschcertifiering.

SYMPA-projektet fokuserar på att utveckla-certifierade SLA-ljuskänsliga hartsmaterial för fordon, vilket gör det möjligt att klara en överensstämmelseväg för hartsbaserade-3D-utskriftsmaterial för att komma in i leveranskedjan för bildelar. IDAM-projektet, koordinerat av BMW, fokuserar på den industriella integrationen av hela arbetsflödet för additiv tillverkning med automationssystem, och utforskar hur man kan omvandla en 3D-utskriftsprocess som för närvarande är starkt beroende av manuella ingrepp till en som kan köras stabilt och i skala i en automatiserad produktionslinje. NextGenAM-projektet går ett steg längre och samarbetar med flygindustrin för att gemensamt optimera effektiviteten i tillverkningen av metalltillsatser - eftersom flygindustrin har samlat på sig mer mogen erfarenhet av kvalitetskontroll och certifiering för 3D-utskrift av metall, och den här typen av branschöverskridande samarbete hjälper till att påskynda bilsektorns tekniska mognad.

När dessa certifieringsramverk väl har etablerats och lanserats kommer de att sänka hindret avsevärt för små och medelstora tillverkare att använda 3D-utskrift. Idag kräver att genomföra material- och processcertifiering självständigt en betydande investering av tid och pengar - ofta mer än ett mindre företag kan bära. När branschstandarder och certifieringsprocesser väl är på plats kan mindre företag använda redan-certifierade, kompatibla hårdvaru- och materialsystem direkt för produktion, utan att duplicera den certifieringsinvesteringen. Detta kommer dramatiskt att påskynda spridningen av 3D-utskrift över hela fordonsförsörjningskedjan, särskilt låta andra- och tredje-delsleverantörer också dra nytta av de effektivitetsvinster som tekniken erbjuder.

Genomförbarheten av ett helt 3D-utskrivet fordon: När 3D-utskriftsteknik mognar för kärnkomponenter som batterier, motorer och sensorer, kan framtida fordon så småningom skrivas ut i sin helhet, från motor till hjul. Utskrivbara magneter finns redan, till exempel - 3D-utskrift av en elmotor behöver främst övervinna utmaningar inom automatiserad montering och materialkompatibilitet.

Automatiserade monteringsutmaningar: Aktuella hinder inkluderar robotsystems förmåga att integrera delar som kommer från flera skrivare. Projekt som IDAM bygger avancerade tillverkningsanläggningar för att hjälpa till att driva detta mål framåt.

Förväntad industriomvandling: Även om flygande bilar förblir en avlägsen framtid, kan 3D-tryckta bilar gå från koncept till produktion inom det kommande decenniet, och i grunden omforma leveranskedjorna och produktionsmodellerna för traditionell biltillverkning.

Att verkligen uppnå ett "helt 3D-utskrivet fordon" kräver att man löser mer än bara kroppsstrukturell utskrift -, den mer centrala utmaningen ligger i den additiva tillverkningen av högintegrerade kärnkomponenter som batterier, motorer och sensorer. Utskrivbara magnetiska material har redan fått ett genombrott, vilket innebär att de permanenta magneterna i hjärtat av en elmotor nu kan produceras via tryckning, vilket lägger en materialgrund för att ytterligare integrera motorproduktionen i tryckprocessen. Fullständig 3D-utskrift av en hel motor kräver dock fortfarande att man löser utmaningen att gemensamt skriva ut flera olika material och funktionsmoduler - spollindningar, isoleringsmaterial, kylstrukturer och mer - som fortfarande är ett centralt fokus för aktuell teknisk forskning.

Även när varje enskild komponent kan produceras via 3D-utskrift är förmågan hos det automatiska monteringssteget lika avgörande för att uppnå fordons-skalaproduktion. Den nuvarande flaskhalsen i branschen är att robotsystem, när de integrerar delar som kommer från olika skrivare och olika produktionssatser, ofta behöver anpassade-programmerade grepp- och monteringsvägar för varje detaljtyp - och saknar den flexibilitet och mångsidighet som krävs för att hantera den höga-mixen, låga-volymen av 3D-tryckta delar. Branschsamarbeten som IDAM-projektet arbetar med att bygga mer avancerade automatiserade tillverkningsanläggningar, och utforskar hur man kan göra robotsystem mer intelligent anpassningsbara till mängden 3D-utskrivna delar - en kritisk tröskel som måste passeras för att uppnå skalad produktion av helt 3D-utskrivna fordon.

Även om produktionen av en helt 3D-utskriven, väg-färdig flygande bil förblir en avlägsen framtidsutsikt för närvarande, tyder den nuvarande teknikutvecklingen på att 3D-tryckta bilar gradvis kan gå från konceptvalidering till små-produktion inom det kommande decenniet. Denna förändring kommer att innebära mer än bara en uppgradering på tillverknings-processnivå -, det innebär att i grunden omforma försörjningskedjans struktur och produktionsorganisation för den traditionella fordonsindustrin, och gå bort från en modell byggd på stor-standardiserad produktion och centraliserade verktygsinvesteringar, mot en mer flexibel, distribuerad, på-efterfrågan modell för digital manufacturing.

Genom att förkorta utvecklingscyklerna, sänka produktionskostnaderna och möjliggöra komplexa konstruktioner har 3D-utskrift blivit en central drivkraft för innovation inom biltillverkning. När genombrotten fortsätter inom materialvetenskap och automation närmar sig eran av det helt 3D-utskrivna fordonet - vilket ger branschen oöverträffad effektivitet och anpassningspotential. Från snabb iteration under prototypvalidering, till lätta uppgraderingar av produktionsverktyg, till skräddarsydd och efterfrågad-tillverkning av delar, hela vägen till den framtida visionen av ett helt utskrivet fordon, 3D-utskrift omformar systematiskt varje steg av biltillverkning, vilket driver hela branschen mot större effektivitet och flexibilitet.