Hoe 3D-printen de autoproductie transformeert

3D-printtechnologie zorgt op meerdere manieren voor verandering in de automobielproductie - prototypeontwerp en validatie, productietools, productie van eind- gebruiksonderdelen en proces- en materiaalcertificering - en brengt de industrie geleidelijk in de richting van een toekomst waarin een volledig voertuig in 3D kan worden geprint. Hier is een nadere blik:

Pas- en montagecontroles: Autofabrikanten gebruiken 3D-printen om snel prototypes op volledige -schaal - zijspiegels te produceren, bijvoorbeeld - met behulp van FFF/FDM-technologie om betaalbaar de pasvorm van onderdelen en de haalbaarheid van montage te verifiëren.

Functionele prototypevalidatie: Voor onderdelen die een hoge sterkte of een gladde oppervlakteafwerking nodig hebben (zoals bevestigingen of aerodynamische kits), op hars{0}} en poeder- gebaseerde technologieën zoals Selective Laser Sintering (SLS), gecombineerd met composieten of nylon, zorg ervoor dat het prototype aan de prestatie-eisen voldoet.

Weergave van modellen in volledige-kleur: Material jetting- en 3D-inkjettechnologieën worden gebruikt om conceptmodellen in volledige-kleur of mockups op schaal te produceren, ter ondersteuning van ontwerpbeoordelingen en marktpresentaties.

Prototypevalidatie is geen geïsoleerde stap in het auto-ontwikkelingsproces - maar loopt door de gehele voertuigontwikkelingscyclus. Van een eerste conceptschets tot de uiteindelijke massaproductie, een auto doorloopt doorgaans tientallen, soms honderden, prototype-iteraties. De introductie van 3D-printen heeft de manier waarop dit proces werkt fundamenteel veranderd.

Bij een traditioneel ontwikkelingsmodel kan het produceren van een prototype met een enkele zijspiegel- betekenen dat je contact moet opnemen met een gespecialiseerde gereedschapswerkplaats, weken moet wachten en tienduizenden dollars moet betalen. Met desktop- of industriële FFF/FDM 3D-printers kunnen ingenieurs binnen enkele uren tot een dag of twee een fysiek onderdeel verkrijgen, dit rechtstreeks op het voertuig monteren voor fittesten en controleren of de spelingen goed zijn, de montagegaten uitgelijnd zijn en het buitenoppervlak overeenkomt met de aerodynamische verwachtingen. Deze snelle 'ontwerp-print-test-revisie'-lus zorgt ervoor dat ontwerpfouten vroeg in het project worden opgespoord en gecorrigeerd, waardoor de enorme herbewerkingskosten worden vermeden die voortkomen uit het ontdekken van een probleem nadat er al is gesneden in de gereedschappen.

Voor functionele prototypen die hogere sterkte en oppervlaktekwaliteit vereisen, kunnen - chassiscomponenten, aerodynamische kits en dergelijke - SLS in combinatie met nylon of composietmaterialen onderdelen produceren met de mechanische sterkte en dimensionale stabiliteit die nodig zijn voor strengere validatie, zoals wind- tunneltests of vermoeidheidstests, waardoor ingenieurs gegevens krijgen die nauw aansluiten bij de gebruiksomstandigheden in de echte- wereld voordat de formele productie begint.

Conceptmodellen met volledige-kleuren die zijn geproduceerd met material jetting en 3D-inkjettechnologie dienen ondertussen een ander doel - ter ondersteuning van ontwerpbeoordelingsbijeenkomsten en marktonderzoek. Ontwerpers en leidinggevenden kunnen een volledig-schaal- of verkleind-verkleind-kleurenmodel fysiek vasthouden en onderzoeken tijdens een besluitvormingsvergadering-, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op weergaven of op-schermafbeeldingen -, wat de kwaliteit van ontwerpcommunicatie en besluitvorming- aanzienlijk verbetert.

Lichtgewicht, ergonomisch ontwerp: 3D-geprinte mallen en armaturen zijn lichter en ergonomischer dan traditionele metalen gereedschappen, waardoor de vermoeidheid van de operator wordt verminderd en de veiligheid op de fabrieksvloer wordt verbeterd. BMW gebruikt bijvoorbeeld 3D-geprinte steunzolen om de belasting van de duim bij lijnwerkers te verminderen.

Kosten- en tijdbesparing: De productie van traditionele gereedschappen kan weken duren en kan veel kosten, terwijl 3D-printen binnen enkele dagen gereedschappen kan opleveren, met een veel grotere geometrische vrijheid en minder beperkingen op het uiteindelijke onderdeelontwerp.

Optimalisatie van matrijzen en topologie: spuitgietmatrijzen voor kunststofonderdelen en kernen voor het gieten van metaal kunnen in 3D worden geprint met complexe geometrieën, ter ondersteuning van topologie-geoptimaliseerde ontwerpen (zoals organische, bio-geïnspireerde vormen) die het materiaalgebruik verminderen met behoud van sterkte. Onder andere GM en Volvo hebben deze aanpak al toegepast om de doorlooptijden te verkorten en de kosten te verlagen.

Vergeleken met de eigen onderdelen van het voertuig wordt de toepassing van 3D-printen in productiegereedschappen en productiehulpmiddelen vaak over het hoofd gezien - maar de impact ervan op de dagelijkse fabrieksefficiëntie en het welzijn van de werknemers gaat net zo diep. Op een traditionele assemblagelijn gebruiken werknemers honderden of duizenden keren per dag metalen armaturen, handgereedschap en positioneringsmallen. De repetitieve bewegingen en het gewicht van metalen gereedschappen kunnen na verloop van tijd leiden tot carpaaltunnelsyndroom, duimbelasting en andere herhaalde-gebruiksblessures.

Na de introductie van op maat gemaakte 3D-geprinte steunzolen en lichtgewicht armaturen zijn BMW en andere autofabrikanten erin geslaagd het gewicht van het gereedschap verschillende keren terug te brengen, terwijl ze ook gereedschappen hebben ontworpen rond de handvorm en de grijpgewoonten van een specifieke werknemer - waardoor de vermoeidheid van de machinist op betekenisvolle wijze is verminderd en het aantal letsels op de werkplek is teruggedrongen. Gevallen als deze laten zien dat de waarde die 3D-printen met zich meebrengt niet beperkt blijft tot het verbeteren van de prestaties van de onderdelen zelf - het komt ook rechtstreeks ten goede aan de mensen die aan de productielijn werken.

Aan de kant van het gieten maken bedrijven als GM en Volvo gebruik van 3D-printen om kernen voor spuitgietmatrijzen te produceren, waarbij topologie-optimalisatie-algoritmen worden toegepast om organische, bio{1}}-geïnspireerde geometrieën te ontwerpen die de matrijssterkte en levensduur behouden, terwijl het materiaalgebruik en de productietijd dramatisch worden verminderd. Vergeleken met traditioneel staalgereedschap, dat maanden kan duren om te bewerken, kunnen 3D-geprinte mallen in dagen tot weken worden geproduceerd - waardoor de productie-tijdlijn voor de gereedheid van nieuwe voertuigonderdelen aanzienlijk wordt verkort en de snelheid waarmee een nieuw model op de markt kan komen, wordt versneld.

Luxe voertuigen en productie op maat: High{0}}merken zoals Rolls-Royce en Porsche gebruiken 3D-printen om kleine-batches op maat gemaakte onderdelen - interieurknoppen, parkeerremcomponenten en soortgelijke onderdelen - te produceren om aan gepersonaliseerde klantverzoeken te voldoen. BMW biedt tienduizenden 3D-geprinte componenten voor de Phantom, en bedrijven als Ferrari gebruiken de technologie om snel het interieurontwerp te herhalen.

On-vervangingsonderdelen: Audi en andere autofabrikanten bieden 3D-geprinte vervangingsonderdelen voor zowel huidige als oudere voertuigmodellen, waardoor de voorraadkosten worden verlaagd en de doorlooptijden van de toeleveringsketen worden verkort. Zeldzame onderdelen voor klassieke modellen kunnen bijvoorbeeld snel worden geproduceerd op basis van digitale ontwerpen, waardoor de hoge kosten van traditioneel gereedschap worden vermeden.

Een van de belangrijkste waardevoorstellen voor luxe automerken is het bieden van een werkelijk unieke ervaring aan klanten. Klanten van merken als Rolls-Royce en Porsche zijn vaak bereid meer te betalen voor zeer gepersonaliseerde interieurdetails - bijvoorbeeld een knop aan de binnenkant waarin het monogram van een klant is gegraveerd, of een parkeerrem die is vormgegeven naar de voorkeur van een specifieke eigenaar. Het is duidelijk niet realistisch om voor elke individuele klant een aparte matrijs te maken bij traditionele productie - de kosten en tijd werken simpelweg niet.

3D-printen lost precies dit ‘kleine batch, hoge maatwerk’-probleem op. De Rolls--divisie van BMW biedt tienduizenden selecteerbare 3D-geprinte componenten voor de Phantom, waardoor klanten kunnen kiezen uit een uitgebreide catalogus met opties - of zelfs geheel nieuwe aanpassingen kunnen aanvragen - zonder dat de productiekant voor elke variant een aparte mal hoeft te ontwikkelen. Supercar-merken zoals Ferrari hanteren een vergelijkbare aanpak en gebruiken de technologie voor snelle iteratie en kleine-proefproductie van interieurdetails, waardoor de tijd die nodig is om van concept naar productie te gaan voor het interieur van een nieuw model wordt verkort.

Naast het aanpassen van nieuwe- voertuigen levert 3D-printen ook aanzienlijke waarde op bij de levering van onderdelen op de aftermarket. Autofabrikanten met een lange geschiedenis en een grote reeks modellen uit het verleden, zoals Audi, moeten onderdelen blijven leveren voor klassieke voertuigen die tientallen jaren oud zijn -, maar het originele gereedschap voor veel van deze zeldzame onderdelen is al lang geleden gesloopt en het opnieuw uitsnijden van een mal is duur, vooral als er ooit maar een handvol exemplaren nodig zullen zijn, waardoor het economisch gezien een slecht voorstel is.

Door de 3D-gegevens voor deze zeldzame onderdelen te digitaliseren, kunnen autofabrikanten deze op aanvraag produceren via 3D-printen wanneer een klant er een nodig heeft - zonder een grote fysieke voorraad aan te hoeven leggen die magazijnruimte in beslag neemt, en zonder de hoge kosten per-eenheid van het ombouwen voor een kleine productierun. Dit 'digitale magazijn'-model wordt een groeiende trend in de onderdelenvoorziening voor klassieke en limited edition-voertuigen.

Consolidatie van rechtopstaande ophanging: Carbon Performance combineerde negen afzonderlijke componenten van de ophanging van een Lotus-sportwagen tot één enkel 3D-geprint aluminium onderdeel, waardoor het gewicht werd verminderd en de stijfheid werd verbeterd.

Remklauwinnovatie: Bugatti's 3D-geprinte titanium remklauw heeft de druktest doorstaan, wat een sterkte en duurzaamheid aantoont die superieur is aan traditioneel vervaardigde remklauwen.

Geïntegreerde koelkanalen: BMW print koelvloeistofkanalen rechtstreeks in cilinderkoppen uit de M--serie, waardoor het thermisch beheer wordt geoptimaliseerd om de motorprestaties te verbeteren.

Printen van de volledige voertuigstructuur: Local Motors printte de carrosserie van zijn elektrische Strati-voertuig in 3D en Honda printte de zijpanelen voor zijn Micro Commuter-concept -, wat beide het potentieel van 3D-printen op het structurele niveau van het hele- voertuig demonstreert.

De consolidatie door Carbon Performance van negen afzonderlijke componenten van de rechtopstaande ophanging van een Lotus-sportwagen tot één enkel 3D-geprint aluminium onderdeel is een bijzonder sprekend voorbeeld, omdat het een van de fundamentele voordelen onthult die 3D-printen onderscheidt van traditionele productie: consolidatie van onderdelen. Traditionele productie, beperkt door de manier waarop onderdelen worden bewerkt en geassembleerd, vereist vaak het opbreken van een complex functioneel onderdeel in verschillende eenvoudiger stukken die afzonderlijk worden bewerkt en vervolgens met bouten of lassen aan elkaar worden verbonden. Elk van deze verbindingen is een potentieel zwak punt en een potentieel faalrisico, en elk voegt ook montagetijd en kwaliteitscontrole{{4}complexiteit toe.

De additieve-productielogica achter 3D-printen doorbreekt deze beperking volledig. Ontwerpers kunnen direct uitgaan van de functionele vereisten en één enkele, geïntegreerde complexe structuur ontwerpen - waarbij de functie van negen afzonderlijke onderdelen in één gedrukt onderdeel wordt opgevouwen. Dit vermindert niet alleen het aantal onderdelen en de complexiteit van de assemblage, maar - door het elimineren van meerdere verbindingen - verbetert de algehele structurele stijfheid en betrouwbaarheid aanzienlijk, terwijl ook gewichtsbesparingen worden bereikt.

Bugatti's 3D-geprinte titanium remklauw illustreert op vergelijkbare wijze het potentieel van 3D-printen op het gebied van componenten met extreme-prestaties. Remklauwen moeten bestand zijn tegen een enorme remdruk en herhaalde thermische cycli. De titanium remklauw van Bugatti, geproduceerd via 3D-printen, heeft rigoureuze druktests ondergaan en demonstreerde sterkte en duurzaamheid die beter presteerden dan remklauwen die waren gemaakt door middel van traditioneel smeden of gieten. - bewijs dat additieve productie nu kan concurreren- aan- met traditionele processen op het gebied van- hoge prestaties en veiligheids- kritische componenten.

Het 3D-geprinte elektrische Strati-voertuig van Local Motors en Honda's 3D-geprinte zijpanelen voor het Micro Commuter-concept vertegenwoordigen een vroege verkenning van 3D-printen, variërend van het componentniveau tot volledige -structurele toepassingen van voertuigen. Hoewel deze projecten zich momenteel grotendeels in de fase van concept-validatie en kleine-batch-productie bevinden, demonstreren ze de haalbaarheid van 3D-printen voor grote structurele componenten op-niveau, waarbij waardevolle technische ervaring en gegevens worden opgebouwd voor het op grotere schaal-volledig-afdrukken van voertuigen in 3D.

Bevordering van standaardisatie en certificering: het SYMPA-project ontwikkelt auto-gecertificeerde SLA-harsen. Het IDAM-project, gecoördineerd door BMW, richt zich op het industrialiseren van additieve productieprocessen en automatiseringssystemen. Het NextGenAM-project werkt samen met de lucht- en ruimtevaartsector om de productie-efficiëntie te optimaliseren.

De barrière voor fabrikanten verlagen: zodra printprocessen en materialen zijn gecertificeerd, kunnen kleine en middelgrote-bedrijven compatibele hardware rechtstreeks gebruiken om onderdelen te produceren, zonder de hoge kosten van onafhankelijke certificering te hoeven dragen - waardoor de adoptie van 3D-printen in de auto-industrie wordt versneld.

Standaardisatie- en certificeringswerk is vaak het gemakkelijkst over het hoofd gezien, maar toch meest cruciale onderdeel van de overstap van een nieuwe technologie van het laboratorium naar grootschalige industriële toepassing-. De auto-industrie hanteert uiterst strikte wettelijke eisen op het gebied van materiaalprestaties en veiligheidsnormen voor componenten. - Zelfs een nieuw materiaal of proces dat op technisch niveau indrukwekkend presteert, zal zonder industriële certificering moeite hebben om op grote schaal te worden toegepast in productievoertuigen.

Het SYMPA-project richt zich op de ontwikkeling van auto--gecertificeerde SLA-lichtgevoelige harsmaterialen, waardoor een pad wordt vrijgemaakt voor op hars-gebaseerde 3D-printmaterialen om de toeleveringsketen van auto-onderdelen te betreden. Het IDAM-project, gecoördineerd door BMW, richt zich op de industriële integratie van de gehele additive manufacturing-workflow met automatiseringssystemen, waarbij wordt onderzocht hoe een 3D-printproces dat momenteel sterk afhankelijk is van handmatige tussenkomst kan worden getransformeerd naar een proces dat stabiel en op schaal kan draaien in een geautomatiseerde productielijn. Het NextGenAM-project gaat nog een stap verder en werkt samen met de lucht- en ruimtevaartindustrie om gezamenlijk de efficiëntie van metaaladditieve productie te optimaliseren - omdat de lucht- en ruimtevaart meer volwassen ervaring heeft opgedaan met kwaliteitscontrole en certificering voor 3D-printen van metaal, en dit soort inter-sectorale samenwerking helpt de technologische rijping van de autosector te versnellen.

Zodra deze certificeringskaders zijn vastgesteld en uitgerold, zullen ze de drempel voor kleine en middelgrote -fabrikanten aanzienlijk verlagen om 3D-printen over te nemen. Tegenwoordig vereist het zelfstandig voltooien van materiaal- en procescertificering een aanzienlijke investering in tijd en geld - vaak meer dan een kleiner bedrijf kan dragen. Zodra er industriestandaarden en certificeringsprocessen zijn ingevoerd, kunnen kleinere bedrijven al-gecertificeerde, compatibele hardware- en materiaalsystemen direct voor productie gebruiken, zonder die certificeringsinvestering te dupliceren. Dit zal de verspreiding van 3D-printen over de gehele toeleveringsketen van de auto-industrie dramatisch versnellen, vooral doordat leveranciers van onderdelen op het tweede en derde niveau ook kunnen profiteren van de efficiëntiewinst die de technologie biedt.

De haalbaarheid van een volledig 3D-geprint voertuig: Naarmate de 3D-printtechnologie rijpt voor kerncomponenten zoals batterijen, motoren en sensoren, kunnen toekomstige voertuigen uiteindelijk volledig worden geprint, van motor tot wielen. Er bestaan ​​al printbare magneten, bijvoorbeeld - 3D-printen van een elektromotor moet vooral de uitdagingen op het gebied van geautomatiseerde assemblage en materiaalcompatibiliteit overwinnen.

Geautomatiseerde assemblage-uitdagingen: De huidige obstakels zijn onder meer het vermogen van robotsystemen om onderdelen te integreren die afkomstig zijn van meerdere printers. Projecten als IDAM bouwen geavanceerde productiefaciliteiten om dit doel te helpen verwezenlijken.

Verwachte transformatie van de sector: Hoewel vliegende auto's nog ver weg lijken, kunnen 3D-geprinte auto's binnen het komende decennium van concept naar productie gaan, waardoor de toeleveringsketens en productiemodellen van de traditionele autoproductie fundamenteel worden hervormd.

Om echt een 'volledig 3D-geprint voertuig' te bereiken, is meer nodig dan alleen het structureel printen van carrosserieën. - De meer centrale uitdaging ligt in de additieve productie van sterk geïntegreerde kerncomponenten zoals batterijen, motoren en sensoren. Bedrukbare magnetische materialen hebben al een doorbraak bereikt, wat betekent dat de permanente magneten in het hart van een elektromotor nu via printen kunnen worden geproduceerd, waardoor een materiële basis wordt gelegd voor de verdere integratie van de motorproductie in het printproces. Het volledig 3D-printen van een hele motor vereist echter nog steeds het oplossen van de uitdaging van het gezamenlijk printen van meerdere verschillende materialen en functionele modules - spoelwikkelingen, isolatiematerialen, koelstructuren en meer -, wat een belangrijk aandachtspunt blijft van het huidige technische onderzoek.

Zelfs als elk afzonderlijk onderdeel kan worden geproduceerd via 3D-printen, zijn de mogelijkheden van de geautomatiseerde assemblagefase even cruciaal voor het realiseren van productie op voertuig-schaal. Het huidige knelpunt in de industrie is dat robotsystemen, bij het integreren van onderdelen afkomstig van verschillende printers en verschillende productiebatches, vaak op maat gemaakte-geprogrammeerde grijp- en assemblagepaden nodig hebben voor elk onderdeeltype -, waarbij ze de flexibiliteit en veelzijdigheid missen die nodig is om de hoge-gemixte, lage- aard van de productie van 3D-geprinte onderdelen aan te kunnen. Samenwerkingen uit de sector, zoals het IDAM-project, werken aan de bouw van meer geavanceerde geautomatiseerde productiefaciliteiten, waarbij wordt onderzocht hoe robotsystemen op intelligentere wijze kunnen worden aangepast aan de verscheidenheid aan 3D-geprinte onderdelen - een kritische drempel die moet worden overschreden om een ​​geschaalde productie van volledig 3D-geprinte voertuigen te bereiken.

Hoewel het produceren van een volledig 3D-geprinte, weg{1}}vliegende auto voorlopig nog een ver vooruitzicht blijft, suggereert het huidige traject van de technologische ontwikkeling dat 3D-geprinte auto's binnen het komende decennium geleidelijk kunnen evolueren van conceptvalidatie naar kleinschalige productie-. Deze verschuiving zal meer inhouden dan alleen een upgrade op het niveau van het productieproces-proces -. Het zal de structuur van de toeleveringsketen en de productieorganisatie van de traditionele auto-industrie fundamenteel hervormen, waarbij we afstappen van een model dat is gebaseerd op gestandaardiseerde productie op grote- schaal en gecentraliseerde investeringen in gereedschappen, naar een flexibeler, gedistribueerd, on- model van digitale productie.

Door de ontwikkelingscycli te verkorten, de productiekosten te verlagen en complexe ontwerpen mogelijk te maken, is 3D-printen een belangrijke motor geworden voor innovatie in de autoproductie. Terwijl de doorbraken op het gebied van materiaalwetenschap en automatisering voortduren, nadert het tijdperk van het volledig 3D-geprinte voertuig -, wat de industrie ongekende efficiëntie en aanpassingspotentieel oplevert. Van snelle iteratie tijdens prototypevalidatie tot lichtgewicht upgrades in productietools, tot op maat gemaakte en on-demand eind-productie van onderdelen, helemaal tot aan de toekomstvisie van een volledig geprint voertuig: 3D-printen hervormt systematisch elke fase van de autoproductie, waardoor de hele industrie in de richting van meer efficiëntie, flexibiliteit en personalisatie wordt geduwd.