Εφαρμογές της τρισδιάστατης εκτύπωσης στον κλάδο της αυτοκινητοβιομηχανίας

Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης αναδιαμορφώνει τη βιομηχανία κατασκευής αυτοκινήτων με διάφορους τρόπους, από την παραγωγή ανταλλακτικών και την κατασκευή καλουπιών έως τους συντομότερους κύκλους Ε&Α, τον ελαφρύ ολοκληρωμένο σχεδιασμό και ακόμη ευρύτερες αλλαγές στη βιομηχανική αλυσίδα εφοδιασμού. Ενώ η τεχνολογία εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πραγματικούς περιορισμούς όσον αφορά τη μαζική παραγωγή-μεγάλης κλίμακας, η αξία της ως βοηθητικού εργαλείου στην ανάπτυξη οχημάτων έχει γίνει ευρέως αναγνωρισμένη σε ολόκληρο τον κλάδο. Παρακάτω είναι μια λεπτομερής ματιά στον τρόπο με τον οποίο εφαρμόζεται η τρισδιάστατη εκτύπωση σήμερα, μαζί με μια ειλικρινή περιγραφή για το πού εξακολουθεί να υπολείπεται.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιείται πλέον για την παραγωγή πλαστικών και μεταλλικών εξαρτημάτων αυτοκινήτου. Η τεχνολογία πλαστικής τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι κατάλληλη για μη κρίσιμα μέρη, όπως εσωτερικοί πίνακες ελέγχου και εξαρτήματα του ταμπλό, όπου οι ανοχές διαστάσεων είναι λιγότερο απαιτητικές και η επανάληψη σχεδιασμού έχει μεγαλύτερη σημασία από την ακατέργαστη μηχανική αντοχή. Η μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση, αντίθετα, εφαρμόζεται όλο και περισσότερο σε πολύπλοκα εξαρτήματα όπως μπλοκ κινητήρα και κεφαλές κυλίνδρων - με περίπλοκες εσωτερικές γεωμετρίες που είναι δύσκολο ή ακριβό να παραχθούν μέσω συμβατικής χύτευσης.

Ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα είναι μια τεχνική ελεύθερης χύτευσης χωρίς σχέδια-που έχει χρησιμοποιηθεί για να συντομεύσει τον κύκλο παραγωγής εξαρτημάτων κινητήρα από τους παραδοσιακούς τρεις-σε-τέσσερις μήνες που απαιτούνται για την κατασκευή εργαλείων σε μόλις δύο εβδομάδες, μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος από αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες σε πολλά εκατομμύρια γιουάν. Αυτό το είδος κέρδους είναι δυνατό επειδή η τεχνολογία παρακάμπτει την ανάγκη σχεδιασμού, μηχανικής επεξεργασίας και επικύρωσης ενός φυσικού καλουπιού προτού παραχθεί ένα μεμονωμένο εξάρτημα - ένα βήμα που παραδοσιακά καταναλώνει το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου παράδοσης στην ανάπτυξη εξαρτημάτων κινητήρα.

Τούτου λεχθέντος, οι περιορισμοί της τεχνολογίας είναι εξίσου σημαντικό να κατανοηθούν με τα δυνατά της σημεία. Τα βασικά συστήματα όπως το σύστημα μετάδοσης κίνησης, η ανάρτηση, το πακέτο μπαταριών, τα ελαστικά, οι τροχοί, οι καλωδιώσεις, οι ηλεκτροκινητήρες και τα παρμπρίζ εξακολουθούν να βασίζονται σχεδόν εξ ολοκλήρου σε παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής. 3Η εκτύπωση D δεν μπορεί να παράγει απευθείας ηλεκτρονικά εξαρτήματα ακριβείας όπως καλωδιώσεις, πλακέτες κυκλωμάτων ή αισθητήρες - η μεταποίηση θα τα εκτοπίσει βραχυπρόθεσμα. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση λειτουργεί σήμερα ως συμπλήρωμα και όχι ως αντικατάσταση της συμβατικής κατασκευής αυτοκινήτων.

Ένα από τα πιο ξεκάθαρα πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης σε ένα πλαίσιο αυτοκινήτου είναι η γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων για καλούπια και εργαλεία. Επειδή η τεχνολογία κατασκευάζει εξαρτήματα απευθείας από δεδομένα γραφικών υπολογιστή χωρίς να απαιτείται μηχανική κατεργασία ή φυσικό καλούπι, μπορεί να δημιουργήσει εξαρτήματα σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος κατά παραγγελία. Αυτό μειώνει δραματικά τον κύκλο ανάπτυξης και παραγωγής για καλούπια αυτοκινήτων σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους.

Όπου η παραδοσιακή ανάπτυξη καλουπιών μπορεί να διαρκέσει αρκετούς μήνες - που περιλαμβάνει σχεδιασμό, κατασκευή εργαλείων, δοκιμαστικές εκδόσεις και κύκλους διόρθωσης - 3Η εκτύπωση D μπορεί να συμπιέσει το ίδιο χρονοδιάγραμμα σε μερικές εβδομάδες, ενώ ταυτόχρονα μειώνει το κόστος Ε&Α. Αυτό το πλεονέκτημα ταχύτητας συνδυάζεται σε ένα πρόγραμμα οχημάτων: ένα καλούπι που μπορεί να επαναληφθεί σε ημέρες αντί για εβδομάδες επιτρέπει στις ομάδες μηχανικών να δοκιμάσουν περισσότερες παραλλαγές σχεδίασης προτού δεσμευτούν σε ακριβά εργαλεία παραγωγής.

Κοιτάζοντας πιο μπροστά, πολλοί στη βιομηχανία βλέπουν την τρισδιάστατη εκτύπωση ως μια πιθανή μελλοντική κατεύθυνση για την κατασκευή καλουπιών αυτοκινήτων ευρύτερα. Μειώνοντας την εξάρτηση από τις παραδοσιακές διαδικασίες σφράγισης και σφυρηλάτησης για ορισμένες εφαρμογές, η κατασκευή πρόσθετων θα μπορούσε να βοηθήσει στην ώθηση της παραγωγής καλουπιών προς ένα πιο αποτελεσματικό-μοντέλο χαμηλότερου κόστους - ιδιαίτερα για χαμηλού-όγκους ή εξαιρετικά προσαρμοσμένες σειρές εργαλείων όπου το αρχικό κόστος των συμβατικών καλουπιών είναι δύσκολο να δικαιολογηθεί.

Οι αυτοκινητοβιομηχανίες αξιοποιούν τις γρήγορες-δυνατότητες δημιουργίας πρωτοτύπων της τρισδιάστατης εκτύπωσης για να συμπιέσουν σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για την επικύρωση του εξωτερικού σχεδιασμού και την παραγωγή μοντέλων. Όπου κάποτε οι κύκλοι ανάπτυξης νέων οχημάτων ξεπερνούσαν τα δύο χρόνια, πολλά προγράμματα έχουν πλέον συμπιεστεί σε λιγότερο από ένα έτος. Αυτή η επιτάχυνση δεν συμβαίνει στο κενό - είναι μια άμεση απάντηση στον εντεινόμενο ανταγωνισμό της αγοράς. Μόνο το 2014, κυκλοφόρησαν 328 νέα μοντέλα οχημάτων στην κινεζική αγορά και αυτό το επίπεδο ανταγωνιστικής πίεσης ώθησε τους κατασκευαστές να υιοθετήσουν την τρισδιάστατη εκτύπωση ως τρόπο για να ενισχύσουν την αποτελεσματικότητα της Ε&Α και να φέρουν νέα σχέδια στην αγορά πιο γρήγορα.

Πέρα από την πρωτογενή ταχύτητα, η τρισδιάστατη εκτύπωση υποστηρίζει επίσης την ταυτόχρονη, συγχρονισμένη ανάπτυξη των διαδικασιών σχεδιασμού και κατασκευής προϊόντων. Αντί να εργάζονται μέσω ενός αυστηρά διαδοχικού σχεδιασμού{-στη συνέχεια-της ροής εργασιών κατασκευής, οι ομάδες μηχανικής και κατασκευής μπορούν να επαναλαμβάνονται παράλληλα, γεγονός που μειώνει τις καθυστερήσεις που προκαλούνται από-και{5}}πίσω και{5}}επαναθεωρήσεις. Η γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων επιτρέπει επίσης να εμφανιστούν νωρίτερα τα ελαττώματα του σχεδιασμού, μειώνοντας τον συνολικό κίνδυνο ανάπτυξης προτού κλειδωθεί ένα σχέδιο για εργαλεία.

Η δομική βελτιστοποίηση είναι ένας από τους τομείς όπου η τρισδιάστατη εκτύπωση προσφέρει οφέλη που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν με την παραδοσιακή κατασκευή. Τα εξαρτήματα που κάποτε απαιτούσαν τη συναρμολόγηση χιλίων ή περισσότερων μεμονωμένων εξαρτημάτων μπορούν, σε ορισμένες περιπτώσεις, να ενοποιηθούν σε μερικές μόνο δεκάδες τυπωμένα μέρη. Όταν συνδυάζεται με σύνθετα υλικά όπως ανθρακονήματα, αυτού του είδους η ενοποίηση εξαρτημάτων μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική μείωση στο συνολικό βάρος του οχήματος.

Τα οχήματα που ενσωματώνουν τρισδιάστατα-εκτυπωμένα δομικά στοιχεία ως μέρος μιας ολοκληρωμένης σχεδιαστικής προσέγγισης επωφελούνται από λιγότερα βήματα συναρμολόγησης και, σε πολλές περιπτώσεις, η βελτιωμένη συνολική απόδοση - μείωση βάρους υποστηρίζει άμεσα καλύτερα χαρακτηριστικά απόδοσης και χειρισμού. Αυτό το μοντέλο σχεδίασης θεωρείται όλο και περισσότερο ότι δείχνει προς μια νέα κατεύθυνση για την αυτοκινητοβιομηχανία γενικά, μια κατεύθυνση που μπορεί να ωθήσει την ευρύτερη βιομηχανία προς πιο αποτελεσματικές και πιο περιβαλλοντικά βιώσιμες μεθόδους παραγωγής με την πάροδο του χρόνου, καθώς τα ενοποιημένα σχέδια συνήθως μειώνουν επίσης τη σπατάλη υλικών και απλοποιούν-την αποσυναρμολόγηση στο τέλος του χρόνου{{5}.

Η παραδοσιακή παραγωγή αυτοκινήτων εξαρτάται από πολύπλοκες, συχνά παγκόσμιες αλυσίδες εφοδιασμού, με εξαρτήματα που προέρχονται από πολλές χώρες πριν από την τελική συναρμολόγηση.. 3Η τεχνολογία D εκτύπωσης έχει τη δυνατότητα να αλλάξει αυτό το μοντέλο επιτρέποντας τη συγκέντρωση του σχεδιασμού, της προμήθειας, της κατασκευής, των πωλήσεων και της ανακύκλωσης σε μια ενιαία περιοχή, μειώνοντας την εξάρτηση από τα logistic μεγάλων{{1}αποστάσεων.

Ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα αυτής της αλλαγής είναι ένα πρωτότυπο όχημα που πέτυχε τοπική παραγωγή μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης, μειώνοντας το διασυνοριακό-κόστος αποστολής και τους χρόνους παράδοσης που συνήθως συνοδεύονται από μια παγκόσμια διανεμημένη αλυσίδα εφοδιασμού. Γενικότερα, η τρισδιάστατη εκτύπωση υποστηρίζει μικρή-παρτίδα, εξαιρετικά προσαρμοσμένη παραγωγή, η οποία ευθυγραμμίζεται καλά με την ευρύτερη στροφή του κλάδου από την τυποποιημένη παραγωγή μεγάλης- κλίμακας προς πιο ευέλικτα μοντέλα παραγωγής. Αυτή η ευελιξία βοηθά τους κατασκευαστές να ανταποκρίνονται πιο γρήγορα στη μεταβαλλόμενη ζήτηση της αγοράς -, μια ικανότητα που γίνεται όλο και πιο πολύτιμη καθώς οι προτιμήσεις των καταναλωτών κατακερματίζονται και ο κύκλος ζωής του οχήματος μειώνεται.

Παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, η τρισδιάστατη εκτύπωση εξακολουθεί να μην μπορεί να ανταγωνιστεί τις παραδοσιακές διαδικασίες σφράγισης και σφυρηλάτησης όταν πρόκειται για μεγάλης κλίμακας-τυποποιημένη παραγωγή. Αρκετοί παράγοντες εξακολουθούν να περιορίζουν την ευρύτερη υιοθέτηση: η απόδοση του υλικού εξακολουθεί να υστερεί σε σχέση με εκείνη των συμβατικών μεταλλικών εξαρτημάτων σε ορισμένες εφαρμογές, η ποιότητα της επιφάνειας συνήθως απαιτεί πρόσθετα στάδια μετα{3}}επεξεργασίας, όπως γυάλισμα και βαφή, και το κόστος ανά{4} εξαρτήματος σε όγκο παραμένει δύσκολο να δικαιολογηθεί έναντι καθιερωμένων μεθόδων μαζικής{{5} παραγωγής. Τα οχήματα που παράγονται σε κλίμακα πρέπει επίσης να πληρούν αυστηρές κανονιστικές απαιτήσεις και σε πολλές δικαιοδοσίες οι ιδιότητες των υλικών των τρισδιάστατων-εκτυπωμένων εξαρτημάτων δεν έχουν ακόμη επικυρωθεί πλήρως σε σχέση με αυτά τα πρότυπα.

Υπάρχει επίσης ένα διαρθρωτικό κενό στην ωριμότητα ταλέντων και εφοδιαστικής αλυσίδας. Επί του παρόντος, ο κλάδος στερείται αρκετών επαγγελματιών που να είναι βαθιά εξοικειωμένοι με τις αρχές σχεδιασμού που αφορούν ειδικά την κατασκευή πρόσθετων - ο σχεδιασμός για τρισδιάστατη εκτύπωση απαιτεί μια πραγματικά διαφορετική νοοτροπία από το σχεδιασμό για εξαρτήματα με σφραγίδα ή μηχανική επεξεργασία. Ταυτόχρονα, το ευρύτερο υποστηρικτικό οικοσύστημα, συμπεριλαμβανομένων των εξειδικευμένων προμηθευτών υλικών και των παρόχων υπηρεσιών μετά την επεξεργασία, εξακολουθεί να αναπτύσσεται και δεν έχει φτάσει ακόμη στο επίπεδο ωριμότητας που παρατηρείται στις παραδοσιακές αλυσίδες εφοδιασμού αυτοκινήτων.

Λαμβάνοντας υπόψη αυτούς τους περιορισμούς, η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι πιθανό να δει τη μεγαλύτερη βραχυπρόθεσμη ανάπτυξή της ως βοηθητικό εργαλείο που χρησιμοποιείται κυρίως κατά τη φάση Ε&Α της ανάπτυξης του οχήματος, όπου μπορεί να βελτιστοποιήσει τις ροές εργασιών σχεδιασμού μέσω της γρήγορης δημιουργίας πρωτοτύπων και να μειώσει την ανάγκη για δαπανηρές φυσικές φόρμες κατά τα πρώιμα στάδια επικύρωσης.

Μακροπρόθεσμα, η πιο πολλά υποσχόμενη πορεία προς τα εμπρός μπορεί να περιλαμβάνει τον συνδυασμό τρισδιάστατης εκτύπωσης με παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής -, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα-εκτυπωμένα καλούπια σε συνδυασμό με συμβατικές διαδικασίες σφράγισης - για την επίτευξη ισορροπίας μεταξύ κόστους και απόδοσης. Αυτό το είδος υβριδικής προσέγγισης θα μπορούσε σταδιακά να επεκτείνει το εύρος των σεναρίων όπου η κατασκευή προσθέτων γίνεται πρακτική για παραγωγή μεγαλύτερου-όγκου, αντί να απαιτεί η τεχνολογία να ανταγωνίζεται αντιμέτωποι με τη στάμπα και τη σφυρηλάτηση με τους δικούς της όρους.

Καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να ωριμάζει, η υιοθέτηση του κλάδου αναμένεται να συνεχίσει να αυξάνεται, ιδιαίτερα σε εξατομικευμένα τμήματα οχημάτων υψηλής ποιότητας και στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων, όπου μικρότερες παραγωγές, ταχύτερη επανάληψη σχεδίασης και ενοποίηση μερών ευθυγραμμίζονται ιδιαίτερα καλά με αυτό που κάνει καλύτερα η τρισδιάστατη εκτύπωση. Σε αυτά τα τμήματα, η αξία της κατασκευής προσθέτων είναι πιθανό να γίνεται ολοένα και πιο εμφανής - όχι ως χονδρική αντικατάσταση της παραδοσιακής κατασκευής αυτοκινήτων, αλλά ως ένα ολοένα και πιο απαραίτητο συμπλήρωμά της.