Аддитивное производство в автомобильной промышленности

Краткий обзор

Автопроизводители используют аддитивное производство для ускорения разработки продукции, сокращения сроков изготовления оснастки, поддержки мелкосерийного производства и выпуска запасных частей по запросу. В этом руководстве рассматриваются ключевые сферы применения, преимущества, проблемы, материалы и технологии, определяющие развитие автомобильной 3D-печати, а также приводятся реальные примеры того, как производители внедряют аддитивное производство на практике.

Что такое автомобильное аддитивное производство?

Автомобильное аддитивное производство (AM) — это процесс создания автомобильных компонентов путем послойного наложения материалов на основе цифровых 3D-моделей. Оно позволяет осуществлять быстрое прототипирование, создавать сложные геометрии и производить легкие детали, недоступные при традиционном производстве. Эта технология снижает отходы материалов и сокращает цепочки поставок. В автомобилестроении AM применяется на каждом этапе жизненного цикла автомобиля: концептуальные модели, функциональные прототипы, производственная оснастка, вспомогательные средства производства, запасные части, конечные компоненты. Материалы меняются в зависимости от того, что вы создаете: конструкционные термопласты, фотополимеры, композиты, металлы.

Традиционное производство обычно требует использования пресс-форм, штампов или механической обработки, прежде чем удастся что-либо произвести. Аддитивное производство пропускает этот шаг и изготавливает изделие напрямую из цифрового файла. Именно это делает технологию полезной, когда дизайн меняется в последний момент или когда вам нужны детали по запросу без предварительных инвестиций в оснастку.

Почему аддитивное производство важно для автопроизводителей

Главный плюс для автопроизводителей заключается во времени. Проверка конструкции может осуществляться на более ранних этапах процесса. Оснастка, на изготовление которой раньше уходили недели, может быть готова за считанные дни. Детали можно производить по запросу, не дожидаясь форм, отливок или сроков поставки от подрядчика.

Компания General Motors сократила сроки изготовления оснастки для сборочных линий с девяти недель до двух, перейдя на аддитивно изготовленные аналоги. Компания Karsan снизила затраты на производство определенных компонентов на 80% просто за счет переноса производства на собственные мощности. Toyota, Subaru и NASCAR также активно используют AM — не только для оснастки, но и для деталей в процессе разработки и сборочных приспособлений.

Таким образом, независимо от вашей цели — ускорить запуск, снизить затраты на оснастку, поддержать мелкосерийное производство или повысить гибкость — аддитивное производство.

Автомобильное AM: от прототипирования до производства

Многие связывают аддитивное производство с быстрым прототипированием, но автопроизводители теперь используют его на протяжении всего жизненного цикла продукта. Те же 3D-принтеры, которые они применяют для проверки концепций, могут также выпускать производственную оснастку, конечные детали и запасные части. Работайте напрямую с цифровым файлом, и вы увидите, как сокращаются сроки изготовления, а также снижается сложность реагирования на поздние изменения дизайна. Это также меняет подход к управлению запасами. Вместо складирования деталей, которые могут понадобиться раз в год, вы печатаете их по мере поступления заказа.

Ключевые сферы применения аддитивного производства в автомобилестроении

Аддитивное производство используется по всей автомобильной отрасли для ускорения разработки продукции, повышения эффективности производства и поддержки выпуска готовой продукции. К числу наиболее распространенных применений относятся:

Быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование остается самым распространенным способом применения аддитивного производства в автомобилестроении. Инженеры печатают концепт-модели, дизайнерские прототипы и функциональные детали прямо из файлов САПР, что позволяет оценивать, изменять и повторно тестировать конструкцию без ожидания изготовления оснастки или привлечения внешнего поставщика. Прототип существует для того, чтобы ответить на вопрос: подходит ли изделие по размеру, выглядит ли оно правильно или работает ли так, как задумано. AM позволяет получить эти ответы за дни, а не недели, поэтому инженеры могут вовремя выявить проблемы и принять решения на более ранних стадиях.

Снижение массы компонентов

Снижение веса обычно находится на первом месте в списке приоритетов. Более легкий автомобиль обеспечивает лучшую топливную экономичность, больший запас хода для электромобилей и в целом лучшие рабочие характеристики.

AM дает инженерам несколько путей достижения этой цели: оптимизацию геометрии деталей, удаление лишнего материала или объединение нескольких компонентов в одну печатную деталь. Она также открывает возможности для создания внутренних решетчатых структур, которые было бы сложно или невозможно обработать традиционными методами резания или литья.

Преимущества не ограничиваются только деталями автомобиля. Производители также заменяют тяжелую металлическую оснастку на более легкие полимерные версии, с которыми проще работать операторам и которые создают меньшую нагрузку на оборудование.

Для программ электромобилей каждый грамм снижения веса напрямую увеличивает запас хода батареи. AM позволяет инженрам оптимизировать конструкции кронштейнов и корпусов для достижения минимальной массы без ущерба для структурной целостности. Технологии Stratasys FDM и SAF поддерживают инженерные термопласты, используемые в корпусах аккумуляторных батарей электромобилей, корпусах электродвигателей и внутренних конструкционных элементах.

Производственные кондукторы, приспособления и инструменты

Сборочные приспособления, контрольные приспособления, направляющие для сверления, концевая оснастка роботов — большинство вспомогательных средств производства на сборочной линии могут быть напечатаны на 3D-принтере. По сравнению с механической обработкой или аутсорсингом это обычно означает сокращение сроков поставки до считанных дней вместо недель, а также создание оснастки, которую легко модифицировать при любом изменении конструкции. Несколько примеров того, как это выглядит на практике:

• Toyota использует AM во всех производственных процессах для поддержания эффективности производства.
• General Motors снизила вес подставки сборочной линии на 72% по сравнению со сталью, одновременно сократив сроки поставки с девяти недель до двух.
• Subaru сократила время изготовления оснастки примерно на 50%.
• J.W. Speaker сократила время производства приспособлений на 89%.

Кастомизация и персонализация

Везде, где автомобильная программа требует разнообразия, специальных серий или опций под конкретного клиента, аддитивное производство неизменно доказывает свою ценность. Особенно это касается мелкосерийных категорий, таких как роскошные автомобили, автоспорт, концепт-кары и ограниченные партии, где затраты на традиционную оснастку трудно оправдать малыми объемами выпуска. Поскольку детали создаются напрямую из цифрового файла без необходимости изготовления новой оснастки для каждого варианта, производители могут выпускать уникальные элементы интерьера, персонализированные функции, мелкосерийные пакеты отделки и специализированные детали гораздо эффективнее, чем при использовании традиционных методов.

Запасные части и мелкосерийное производство

Вместо того чтобы годами хранить на складах большие объемы деталей, производители могут держать под рукой цифровой файл и печатать запасные части только тогда, когда они действительно нужны. Этот сдвиг наиболее важен для послепродажного обслуживания, ретроавтомобилей и мелкосерийных программ — везде, где трудно прогнозировать спрос, и это позволяет избежать затрат на подготовку производства для выпуска небольшой партии.

Один из примеров — то, как компания Stratasys Direct Manufacturing помогла восстановить гоночный автомобиль Sampson Special 1930 года выпуска, воспроизведя устаревшие компоненты радиатора с помощью технологии PolyJet™ без необходимости воссоздания оригинальной оснастки.

Преимущества аддитивного производства в автомобилестроении

Аддитивное производство приносит пользу на всех этапах жизненного цикла автомобильной продукции, помогая производителям ускорять разработку, повышать эффективность производства, снижать затраты и создавать более устойчивые цепочки поставок.

Более быстрые сроки выполнения заказов и инновации

Аддитивное производство сокращает расстояние между идеей и физической деталью. Инженеры могут тестировать концепты, проверять конструкции и вносить изменения, не тратя время на ожидание изготовления оснастки или поставки. Компания General Motors сократила сроки выполнения заказов с девяти недель до двух после перехода на 3D-печать.

Сокращение отходов материалов

Традиционное производство обычно работает по принципу удаления материала: механической обработки, резки и подгонки. Аддитивное производство действует наоборот, создавая ровно столько материала, сколько действительно необходимо для детали.

Это особенно важно для сложных геометрий и мелкосерийного производства, где отходы от традиционных методов быстро накапливаются. Процессы на основе порошка идут еще дальше, так как неиспользованный материал часто можно собрать и использовать повторно. SAF™ ReLife™ PA12 — хороший тому пример.

Снижение энергопотребления

Часть энергетического преимущества аддитивного производства достигается за счет упрощения самого процесса: меньшего количества оснастки, меньшего числа этапов сборки и возможности производить детали ближе к месту их фактического использования. Программное обеспечение также играет свою роль, оптимизируя ориентацию построения и опорные структуры, чтобы сократить количество отходов материала и повторных печатей.

Если учесть сокращение объемов транспортировки, хранения, оснастки и уменьшение неэффективности в самом процессе печати, вы увидите реальную экономию энергии.

Снижение потребности в складских запасах

Запасные части обычно требуют складских помещений, причем в больших количествах. Аддитивное производство предлагает другую модель: хранить конструкцию в виде цифрового файла и печатать деталь только тогда, когда она действительно необходима.

Это сокращает объемы хранения, снижает риск устаревания деталей на полке и значительно упрощает поддержку мелкосерийных или старых автомобилей. Реставрация Sampson Special — отличный пример: Stratasys Direct Manufacturing воспроизвела устаревшие детали радиатора для гоночного автомобиля 1930 года вместо того, чтобы создавать оснастку с нуля.

Экономия затрат

Аддитивное производство может снизить затраты за счет исключения оснастки, сокращения циклов разработки, уменьшения требований к запасам и обеспечения более эффективных производственных рабочих процессов.

Проблемы массового внедрения

Экономия может быть существенной. Например:

• Karsan снизила производственные затраты до 80%, перенеся производство компонентов методом аддитивного производства внутрь компании
• Roush сэкономила 35% по сравнению с литьем под давлением на мелкосерийной детали
• W. Speaker сократила время производства приспособлений на 89%, снизив как затраты на оснастку, так и время выполнения заказа

Проблемы массового внедрения

Аддитивное производство заняло прочное место в автомобилестроении, но оно не является универсальной заменой традиционным методам. Как и любой процесс, оно имеет свои оптимальные сферы применения, и понимание того, где они находятся, так же важно, как и знание его возможностей.

Стоимость единицы детали при больших объемах

При больших объемах литье под давлением и штамповка по-прежнему вне конкуренции по стоимости. Как только оснастка изготовлена, стоимость единицы детали падает и остается низкой. Аддитивное производство имеет больше смысла на другом конце спектра: для прототипов, оснастки, запасных частей и мелкосерийных партий, где первоначальные инвестиции в оснастку трудно оправдать с самого начала.

[H3] Скорость печати и производительность

Хотя технологии аддитивного производства продолжают совершенствоваться, производство тысяч или миллионов одинаковых деталей по-прежнему происходит быстрее с помощью многих традиционных производственных процессов. Аддитивное производство часто используется там, где гибкость, скорость выхода на рынок или свобода проектирования важнее максимального объема производства.

Сертификация и обеспечение качества

Каждая деталь в автомобиле должна соответствовать строгим стандартам качества и производительности, и детали, полученные аддитивным методом, не исключение. Поскольку аддитивное производство проникает в серийное производство, существуют такие процессы, как Процесс одобрения производства компонентов (PPAP), подтверждающие, что напечатанная деталь действительно соответствует инженерным стандартам.

PPAP подтверждает, что производственный процесс может стабильно производить детали в соответствии с инженерными спецификациями. Для деталей, изготовленных аддитивным методом, это означает документирование свойств материалов, точности размеров и повторяемости процесса в ходе производственных циклов. Stratasys Direct поддерживает полные рабочие процессы PPAP для 3D-печати деталей промышленного качества.

Ограничения свойств материалов

Материалы постоянно улучшаются, но до сих пор не существует единого материала для аддитивного производства, который подходил бы для всего. Прочность, термостойкость, долговечность, химическая стойкость, качество поверхности — инженеры должны учитывать все это, прежде чем сделать выбор. Выбор правильного материала оказывается столь же важным, как и выбор правильного процесса.

Как автопроизводители используют Stratasys

Stratasys поддерживает весь жизненный цикл автомобильной продукции от начала до конца: разработку концепции, быстрое прототипирование, производственную оснастку, конечные детали и производственные услуги.

Быстрое прототипирование с помощью PolyJet™ и стереолитографии Neo®

Команды разработчиков обращаются к PolyJet™ и стереолитографии Neo®, когда концептуальные модели и прототипы должны выглядеть и измеряться правильно: иметь высокую детализацию, чистую отделку поверхности и строгую точность размеров. Это делает их естественным выбором для дизайнерских обзоров, аэродинамических испытаний, исследований подгонки и формы, а также функциональной валидации.

Производственная оснастка с использованием технологии FDM®

Технология FDM® широко применяется на производстве для изготовления кондукторов, приспособлений, калибров, направляющих для сверления, технологической оснастки роботов и инструментов для формовки листового металла. Инженерные термопласты придают этим инструментам достаточную прочность и долговечность для ежедневного использования, одновременно сокращая время и стоимость их изготовления.

Мелкосерийное производство с использованием технологии SAF®

Технология SAF® создана для повторяемых полимерных деталей производственного качества, что делает ее отличным выбором для промежуточного производства, запасных частей и мелкосерийных партий, где традиционная оснастка просто нецелесообразна.

Высокоточные производственные применения с технологией P3™ DLP

Когда деталь должна приближаться по качеству к литью под давлением, технологию P3™ DLP часто выбирают в качестве решения. Высокая точность, отличное качество поверхности и стабильные механические свойства делают ее популярным выбором для функциональных прототипов, производственной оснастки и деталей для мелкосерийного производства.

Печать по требованию с Stratasys Direct®

Не каждый производитель должен инвестировать в оборудование для аддитивного производства. Stratasys Direct® предоставляет услуги производства по требованию, предоставляя автомобильным компаниям доступ к широкому спектру технологий аддитивного производства, материалов, услуг по финишной обработке и рабочих процессов с поддержкой PPAP для производственных задач.