POVZETEK

Aditivna proizvodnja, splošno znana kot 3D tiskanje, temeljito spreminja izdelavo avtomobilskih orodij za litje. Ta tehnologija omogoča izdelavo zelo zapletenih orodij z lastnostmi, kot so notranji kanali za konformalno hlajenje, ki znatno podaljšajo življenjsko dobo orodij, izboljšajo kakovost liteh delov in zmanjšajo stroške proizvodnje. Za avtomobilske strokovnjake prihodnost 3D tiskanja pri avtomobilskih orodjih predstavlja ključni premik proti bolj prilagodljivim, cenovno učinkovitim in inovativnim proizvodnim ciklom.

Sprememba paradigme: Zakaj aditivna proizvodnja nadomešča tradicionalno orodjarino

Proizvodnja avtomobilskih orodij že dolgo dominira s tradicionalnimi metodami, kot je obdelava s CNC stroji, postopek, ki je sicer zanesljiv, vendar kaže pomembne omejitve pri načrtovanju in trajnosti. Te konvencionalne tehnike pogosto težko ustvarijo zapletene notranje geometrije, kar vodi do orodij z krajšo življenjsko dobo zaradi toplotne utrujenosti in neenakomernega hlajenja. To povzroča pogoste popravke, dragocene izpade in morebitne napake v končnih litih delih. Odvisnost industrije od teh metod je ustvarila zamaikanje za inovacijami, upočasnjuje proizvodne cikle in povečuje stroške.

Dodatna proizvodnja (AM) neposredno rešuje te izzive tako, da orodja izdeluje plast po plast iz kovinskega prahu in omogoča doslej neznan svoboden dizajn. Za razliko od subtraktivne obdelave lahko 3D tiskanje ustvarja zapletene notranje strukture, kot so prilagojeni kanali za hlajenje, ki natančno sledijo konturam modela. Kot je razloženo v poročilu podjetja Sodick , ta optimizirana termalna upravljanja preprečuje nastanek vročih točk, kar je glavni vzrok razpok in obrabe. To vodi k bolj enotni kakovosti delov in dramatičnemu podaljšanju življenjske dobe orodja.

Znamenit primer učinka te tehnologije je sodelovanje med MacLean-Fogg in Fraunhofer ILT , ki sta izdelala ogromen 156 kg težak dodatno izdelan vstavek za litje pod tlakom za Toyota Europe. Ta komponenta, uporabljena za hišo menjalnika Yaris hibrid, prikazuje možnost povečanja obsega in industrijsko pripravljenost AD za avtomobilsko industrijo na veliko skalo. Z združevanjem tradicionalnih in aditivnih metod v hibridno proizvodno okolje lahko podjetja dosežejo proizvodnjo po potrebi, zmanjšajo zaloge in minimizirajo tveganja v dobavnem verigah ter tako ustvarijo bolj odporno in prilagodljivo operacijo.

Ta premik proti naprednejšim orodjem sprejemajo vodilna podjetja v panogi. Na primer, podjetja kot so Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. so na čelu pri izdelavi visoko natančnih orodij za avtomobilsko žigosanje in kovinskih komponent ter uporabljajo napredne simulacije in projektno vodenje za OEM-je in dobavitelje prve ravni. Njihov poudarek na kakovosti in učinkovitosti se ujema s ključnimi prednostmi, ki jih dodatna izdelava prinaša celotnemu orodarskemu ekosistemu.

Ključne tehnične inovacije, ki omogočajo spremembo: materiali in procesi

Uporabnost 3D tiskanja za zahtevne aplikacije, kot so avtomobilske lijevne forme, je odvisna od pomembnih napredkov v postopkih tiskanja in znanosti o materialih. Gre namreč ne le za sposobnost tiskanja kovin, temveč za sposobnost tiskanja s točnostjo, trdnostjo in toplotnimi lastnostmi, ki so potrebne za prenašanje brutalnega okolja litja pod tlakom. Prav te inovacije dvigujejo aditivno proizvodnjo (AM) iz orodja za izdelavo prototipov do zmogljive industrijske proizvodne rešitve.

Na čelu teh procesov je lasersko taljenje v prahu (LPBF). Kot podrobno opisuje Sodick, sistemi, kot je LPM325, uporabljajo močne lasere za izbirno taljenje in zlitje kovinskega prahu plast za plastjo. Ta tehnika omogoča izdelavo gostih, homogenih kovinskih delov z izjemno zapletenimi notranjimi in zunanjimi geometrijami. Prav natančnost LPBF omogoča izdelavo elementov, kot so prilagodljivi kanali za hlajenje, ki jih ni mogoče izdelati s tradicionalnim vrtanjem ali friziranjem.

Enako pomembna je razvoj specializiranih kovinskih praškov. Patentiранi orodni jekleni prašek L-40 podjetja MacLean-Fogg je na primer razvit posebej za postopek LPBF. Ta material dosega visoko trdoto in žilavost že pri zmernem predogrevanju, kar zmanjša tveganje nastanka razpok med izdelavo. Poleg tega zmanjša potrebo po obsežnih toplotnih obdelavah po izdelavi, kar skrajša celoten čas do trženja. Ti napredni materiali neposredno odpravljajo pogoste točke okvar pri litju pod tlakom, kot sta zlitje aluminija na površino orodja ter nastanek razpok.

Kombinacija teh tehnologij omogoča opazne izboljšave zmogljivosti. Po besedah Sodicka so orodja, natisnjena z optimiziranimi praški, v aplikacijah litja aluminija pod tlakom skoraj trikrat bolj obstojna kot tista iz tradicionalnega nerjavnega jekla. Prednosti teh naprednih materialov vključujejo:

• Izboljšana vzdržljivost: Visoka odpornost proti termičnemu utrujanju in obrabi podaljša delovno življenjsko dobo orodja.
• Zmanjšano održavanje: Nadrejene lastnosti materiala zmanjšajo težave, kot so lotenje in razpokanje, kar pomeni daljše intervale vzdrževanja.
• Poboljšana izvedba: Stalne toplotne lastnosti zagotavljajo litine višje kakovosti z manj napakami.
• Hitrejše proizvodnjo: Zmanjšana potreba po dodatni obdelavi in toplotni obdelavi pospeši celoten proizvodni tok.

Merljivi učinki: izboljšanje zmogljivosti, kakovosti in donosa naložbe

Uporaba 3D tiskanja za avtomobilske kalibre ni le tehnološka radovednost; gre za strateško poslovno odločitev, ki jo gonijo pomembni, kvantificirani izboljšave učinkovitosti, stroškov in kakovosti izdelkov. Z odmikom od omejitev konvencionalne proizvodnje avtomobilske podjetja dosegajo znaten donos naložbe ter pridobivajo močno konkurenčno prednost na hitro spreminjajočem se tržišču.

Najtakojnejši in najbolj učinkoviti učinek je radikalno zmanjšanje časov izdelave in stroškov. Kot je poročal Industrial Equipment News , pri dobavitelju avtomatizacije Valiant TMS so se cikli dobave orodnih komponent zmanjšali s 4–6 tednov na le 3 dni po integraciji aditivne proizvodnje. To pospešenje omogoča hitrejše ponavljanje oblikovanja, hitrejši odziv na težave v proizvodni liniji ter bolj prilagodljiv proizvodni proces v celoti. Prihranki pri stroških so enako ugledni; primer iz prakse podjetja Manufacturing Tomorrow poudarja, kako je Standard Motor Products z uporabo 3D tiskanja zmanjšal stroške orodij za do 90 % in čase dobave za več kot 70 %.

Poleg hitrosti in stroškov AM omogoča nadpovprečno zmogljivost in kakovost. Možnost oblikovanja in tiskanja orodij s prilagodljivimi kanali za hlajenje zagotavlja enakomerno odvajanje toplote, kar je ključno za preprečevanje napak, kot so krčenje, poroznost in upogibanje pri končnih litih delih. To vodi do višjih donosov, manj odpadkov in delov, ki izpolnjujejo ožje tolerance dimenzij. Poleg tega napredne kovinske zlitine, uporabljene v AM, ponujajo izboljšano vzdržljivost, kar pomeni, da orodja prenesejo več litvenih ciklov, preden zahtevajo vzdrževanje ali zamenjavo.

Ti prednosti ustvarjajo kaskadni učinek po celotnem proizvodnem vrednostnem nizu, pospešujejo inovacijske cikle in zmanjšujejo ranljivosti dobavnih verig. Ključne prednosti se lahko povzamejo takole:

1. Pospešitev časa do ponudbe na trgu: Znaten skrajšani časi dobave orodij omogočajo hitrejši razvoj in uvedbo izdelkov, kar je ključna prednost na konkurenčnem avtomobilskem tržišču.
2. Pomembno zmanjšanje stroškov: Z odpravo potrebe po zapletenih obdelovalnih nastavitvah in zmanjšanjem odpadkov materiala se znižajo tako stroški orodij na začetku kot tudi skupni stroški lastništva.
3. Izboljšana kakovost in doslednost delov: Nadgradnja toplotnega upravljanja s prilagodljivim hlajenjem rezultira dimenzionalno natančnimi deli z boljšimi mehanskimi lastnostmi in manj pomanjkljivostmi.
4. Podaljšano življenjsko dobo orodij: Napredni materiali in optimizirane konstrukcije zmanjšujejo toplotno utrujenost in obrabo, povečujejo število litijev na kalibr in zmanjšujejo prostoj zaradi popravil.
5. Večja svoboda oblikovanja: Inženirji lahko ustvarjajo lahke, kompleksne in visoko optimizirane kalibre, ki jih prej ni bilo mogoče izdelati, s čimer odklenejo nove možnosti zmogljivosti.

Primerjalne težave in prihodnji razvoj: Pot do popolne industrijske uporabe

Čeprav ima aditivna izdelava preobrazno moč, je njena popolna industrijska uveljavitev v avtomobilski panogi še vedno v teku in s seboj prinaša več ovir, ki jih je treba premagati. Čeprav so zgodnji uporabniki dosegli izjemne uspehe, za vsestransko vključitev tehnologije moramo rešiti izzive, povezane s kakovostjo, materiali in veščinami delovne sile. Priznanje teh ovir je prvi korak k odklepanju polnega potenciala tehnologije ter oblikovanju njene prihodnje smeri.

Proizvajalci morajo premagati nekaj ključnih izzivov, da lahko v celoti izkoristijo AM. Za zagotavljanje, da 3D-tiskani deli dosledno izpolnjujejo stroge standarde trdnosti in kakovosti avtomobilske industrije, so potrebni intenzivni postopki preskušanja in overjanja. Poleg tega, čeprav se nabor tiskljivih kovin širi, še vedno obstaja potreba po več visoko zmogljivih materialih, ki bi lahko neposredno nadomestili določene specialne zlitine, uporabljane v tradicionalni proizvodnji. Nazadnje pa obstaja pomemben primanjkljaj strokovnih znanj; novo generacijo inženirjev je treba usposobiti za načrtovanje za aditivno proizvodnjo (DfAM), da bi razmišljali izven omejitev konvencionalnih metod.

V prihodnosti je bodočnost tiskanja 3D v proizvodnji avtomobilov svetla in jo bo gonila združitev več ključnih tehnoloških trendov. Integracija sistemov AM z umetno inteligenco in internetom stvari (IoT) bo omogočila spremljanje procesov v realnem času ter prediktivno vzdrževanje, s čimer se še dodatno izboljša učinkovitost in nadzor kakovosti. Nadaljnji napredek na področju materialov bo razširil paleto razpoložljivih zlitin, kar bo odprlo nove možnosti uporabe za še zahtevnejše komponente. Kot je razvidno iz primera MacLean-Fogg, tehnologija že prodira na nova področja, kot so strukturni litji in ogromni orodja za »giga-litje«.

Za uspešno krmarjenje po tej pokrajini je nujno strategsko načrtovanje. Uspeh bo zahteval vlaganje v usposabljanje kadrov, sodelovanje s tehnološkimi partnerji in jasen vidik integracije AM-ja v osnovne proizvodne strategije. Pot do popolne industrijske preobrazbe je potovanje, a takšno, ki obeta preoblikovanje proizvodnje avtomobilov za prihajajoča desetletja.

Pogosta vprašanja

1. Kaj je prihodnost tiskanja 3D v avtomobilski industriji?

Prihodnost tiskanja 3D v avtomobilski industriji je obsežna, saj se tehnologija premika od izdelave prototipov do celostne proizvodnje orodij, pritrdilnih naprav in končnih delov. Med ključne trende spadajo uporaba dodatne proizvodnje (AM) za zmanjševanje mase komponent v električnih vozilih, izdelava zapletenih orodij, kot so avtomobilske matrice s prilegajočim hlajenjem, ter omogočanje proizvodnje rezervnih delov po potrebi, kar poveča odpornost dobavnih verig. Igralna tehnologija je tudi pomemben dejavnik trajnostnosti, saj zmanjšuje odpad materiala in omogoča uporabo recikliranih ali naravnih materialov.

2. Obstaja trg za avtomobilske dele, izdelane s tiskanjem 3D?

Da, obstaja pomemben in hitro naraščajoč trg za 3D natisnjene dele avtomobilov. Globalni trg avtomobilske 3D tiskanje je bil vreden milijard v zadnjih letih in se napoveduje značilen rast. Ta trg vključuje vse, od prototipov in prilagojenih notranjih komponent do delov, ki so pomembni za zmogljivost, ter kompleksnih orodij. Veliki proizvajalci opreme, kot so GM, Ford in Toyota, že sedaj intenzivno uporabljajo 3D tiskanje. Na primer, General Motors je proizvedel 60.000 tesnil za spone za en sam model SUV-ja le v petih tednih, s čimer je potrdil komercialno uresničljivost te tehnologije.