כיצד הדפסת תלת מימד משנה את ייצור הרכב

טכנולוגיית הדפסת תלת-ממד מניעה את השינוי בכל ייצור הרכב בדרכים מרובות - תכנון ואימות אב-טיפוס, כלי ייצור, ייצור חלקי קצה-שימוש ואישור תהליכים וחומרים - ומצעידה בהדרגה את התעשייה לעבר עתיד שבו ניתן יהיה להדפיס רכב שלם בתלת-ממד. הנה מבט מקרוב:

בדיקות התאמה והרכבה: יצרני רכב משתמשים בהדפסת תלת-ממד כדי לייצר במהירות אבות-טיפוס בקנה מידה מלא של - מראות צד, למשל - באמצעות טכנולוגיית FFF/FDM כדי לוודא התאמה של חלקים והיתכנות הרכבה במחירים נוחים.

אימות אב טיפוס פונקציונלי: עבור חלקים שצריכים חוזק גבוה או גימור משטח חלק (כגון תושבות או ערכות אווירודינמיות), טכנולוגיות המבוססות על שרף- ואבקה- כמו סינטינג לייזר סלקטיבי (SLS), בשילוב עם חומרים מרוכבים או ניילון, ודא שאב הטיפוס עומד בדרישות הביצועים.

תצוגות של מודלים צבעוניים-מלאים: טכנולוגיות הזרקת חומרים והזרקת דיו תלת-ממדית משמשות לייצור מודלים של קונספט בצבע מלא-או דגמים בקנה מידה, תמיכה בביקורות עיצוב ומצגות שוק.

אימות אב טיפוס אינו שלב בודד בתהליך פיתוח הרכב - הוא עובר לאורך כל מחזור פיתוח הרכב. משרטוט קונספט ראשוני ועד לייצור המוני סופי, מכונית עוברת בדרך כלל עשרות, לפעמים מאות, של איטרציות של אב טיפוס. הצגת הדפסת תלת מימד שינתה מהותית את אופן פעולת התהליך הזה.

לפי מודל פיתוח מסורתי, ייצור אב-טיפוס צד-יחיד עשוי להיות פירושו פנייה לחנות כלי עבודה מתמחה, המתנה של שבועות ותשלום של עשרות אלפי דולרים. עם מדפסות FFF/FDM 3D שולחניות או תעשייתיות, המהנדסים יכולים לקבל חלק פיזי תוך שעות עד יום או יומיים, להרכיב אותו ישירות על הרכב לבדיקת התאמה, ולבדוק אם המרווחים נכונים, חורי ההרכבה מיושרים והמשטח החיצוני תואם את הציפיות האווירודינמיות. הלולאה המהירה הזו של "עיצוב–הדפס–בדיקה–עדכון" מאפשרת לפגמי עיצוב להיתפס ולתקן בשלב מוקדם של הפרויקט, ולמנוע את עלויות העיבוד המסיביות הנובעות מגילוי בעיה רק ​​לאחר שהכלים כבר נחתכו.

עבור אבות טיפוס פונקציונליים הדורשים חוזק ואיכות פני שטח גבוהים יותר, - רכיבי שלדה, ערכות אווירודינמיות וכדומה - SLS בשילוב עם ניילון או חומרים מרוכבים יכולים לייצר חלקים עם החוזק המכאני והיציבות הממדית הדרושים לאימות קפדני יותר, כגון בדיקות מנהרות רוח או בדיקות עייפות{3} שמאפשרות למהנדסים{3} תנאי שימוש{3} למציאות.

דגמי קונספט בצבע מלא- המיוצרים עם הזרקת חומרים וטכנולוגיית הזרקת דיו תלת-ממדית, בינתיים, משרתים מטרה אחרת - התומכת בפגישות סקירת עיצוב ובמחקר שוק. מעצבים ומנהלים יכולים להחזיק ולבחון פיזית מודל-בקנה מידה מלא או מוקטן-, מלא-צבע בפגישת קבלת החלטות-, במקום להסתמך רק על עיבודים או על -חזותי מסך -, מה שמשפר באופן משמעותי את איכות התקשורת העיצובית וקבלת ההחלטות{10}}.

עיצוב קל משקל וארגונומי: ג'יגים ומתקנים מודפסים בתלת מימד הם קלים וארגונומיים יותר מכלי מתכת מסורתיים, מפחיתים את עייפות המפעיל ומשפרים את הבטיחות ברצפת המפעל. ב.מ.וו, למשל, משתמשת בהתקנים אורתוטיים מודפסים בתלת מימד כדי להפחית את עומס האגודל של עובדי הקו.

חיסכון בעלויות וזמן: לייצר כלים מסורתיים יכולים לקחת שבועות ולעלות הרבה מאוד, בעוד שהדפסת תלת מימד יכולה לספק כלים תוך ימים, עם חופש גיאומטרי גדול בהרבה ופחות אילוצים על עיצוב החלק הסופי.

אופטימיזציה של תבניות וטופולוגיה: תבניות הזרקה לחלקי פלסטיק וליבות ליציקת מתכת ניתנות להדפסה בתלת-ממד עם גיאומטריות מורכבות, התומכות בעיצובים מותאמים-לטופולוגיה (כגון צורות אורגניות, בהשראת ביו-) המפחיתות את השימוש בחומרים תוך שמירה על חוזק. GM ו-וולוו, בין היתר, כבר אימצו גישה זו כדי לקצר את זמני ההובלה ולצמצם עלויות.

בהשוואה לרכיבים של הרכב עצמו, היישום של הדפסת תלת-ממד בכלי ייצור ועזרי ייצור מתעלמים לעתים קרובות - אך השפעתו על יעילות המפעל היומית ורווחת העובדים עמוקה באותה מידה. בפס ייצור מסורתי, עובדים משתמשים במתקני מתכת, כלי עבודה ידניים וג'יגים למיקום מאות או אלפי פעמים ביום. התנועה החוזרת והמשקל של כלי מתכת עלולים להוביל לתסמונת התעלה הקרפלית, למתח באגודל ולפציעות- חוזרות ונשנות אחרות לאורך זמן.

לאחר שהציגו מכשירים אורתוטיים מודפסים בתלת-ממד ומתקנים קלים, BMW ויצרניות רכב אחרות הצליחו להפחית את משקל הכלים פי כמה, תוך תכנון כלים סביב צורת היד והרגלי האחיזה של העובד הספציפיים - מה שהפחית באופן משמעותי את עייפות המפעיל והורדת שיעור הפציעה במקום העבודה. מקרים כמו זה מראים שהערך שמביאה הדפסת תלת מימד אינו מוגבל לשיפור הביצועים של החלקים עצמם - זה גם מועיל ישירות לאנשים שעובדים בקו הייצור.

בצד הדפוס, חברות כמו GM ו-Volvo משתמשות בהדפסה תלת-ממדית לייצור ליבות עבור תבניות הזרקה, תוך יישום אלגוריתמי אופטימיזציה של טופולוגיה לעיצוב גיאומטריות אורגניות בהשראה-ביולוגית, השומרות על חוזק התבנית וחיי השירות תוך קיצוץ דרמטי בשימוש בחומרים ובזמן הייצור. בהשוואה לכלי פלדה מסורתיים, שעשוי להימשך חודשים לעיבוד, ניתן לייצר תבניות מודפסות בתלת מימד תוך ימים עד שבועות - מה שדוחס משמעותית את ציר הזמן המוכנות-לייצור עבור רכיבי רכב חדשים ומאיץ את המהירות שבה דגם חדש יכול להגיע לשוק.

רכבי יוקרה וייצור מותאם אישית:-מותגים מתקדמים כמו רולס-רויס ופורשה משתמשים בהדפסת תלת-ממד כדי לייצר-חלקים קטנים בהתאמה אישית - כפתורי פנים, רכיבי בלם חניה וחלקים דומים - כדי לענות על בקשות לקוחות מותאמות אישית. ב.מ.וו מציעה עשרות אלפי רכיבים מודפסים בתלת מימד עבור הפנטום, וחברות כמו פרארי משתמשות בטכנולוגיה כדי לחזור על עיצוב הפנים במהירות.

חלקי חילוף-לפי דרישה: אאודי ויצרניות רכב אחרות מציעות חלקי חילוף מודפסים בתלת-ממד עבור דגמי רכב נוכחיים וגם ישנים יותר, תוך הפחתת עלויות המלאי ומקצרת את זמני ההובלה של שרשרת האספקה. חלקים נדירים לדגמים קלאסיים, למשל, יכולים להיות מיוצרים במהירות מעיצובים דיגיטליים, תוך הימנעות מהעלות הגבוהה של כלי עבודה מסורתיים.

אחת מהצעות הערך המרכזיות עבור מותגי רכבי יוקרה היא להציע ללקוחות חוויה-יחידה באמת.- לקוחות של מותגים כמו רולס-רויס ופורשה מוכנים לעתים קרובות לשלם פרמיה עבור פרטי פנים מותאמים במיוחד - כפתור פנימי חרוט במונוגרמה של הלקוח, למשל, או בלם חניה המעוצב לפי העדפת הבעלים הספציפית. יצירת תבנית נפרדת עבור כל לקוח אינדיבידואלי בבירור אינה מציאותית בייצור מסורתי - העלות והזמן פשוט לא עובדים.

הדפסת תלת מימד פותרת בדיוק את המתח הזה של "אצווה קטנה, התאמה אישית גבוהה". חטיבת רולס-Royce של BMW מציעה עשרות אלפי רכיבים מודפסים בתלת מימד לבחירה עבור ה-Phantom, ומאפשרת ללקוחות לבחור מתוך קטלוג עצום של אפשרויות - או אפילו לבקש התאמות אישיות חדשות לגמרי - מבלי שצד הייצור יצטרך לפתח תבנית נפרדת לכל גרסה. מותגי מכוניות-על כמו פרארי נוקטים בגישה דומה, תוך שימוש בטכנולוגיה לאיטרציה מהירה וייצור ניסוי-קטן של פרטי פנים, מקצרים את הזמן שלוקח לעבור מרעיון לייצור עבור פנים דגם חדש.

מעבר להתאמה אישית של-רכבים חדשים, הדפסת תלת מימד מספקת גם ערך משמעותי באספקת חלקי חילוף לשוק לאחר. יצרניות רכב עם היסטוריה ארוכה ומגוון גדול של דגמי עבר, כמו אאודי, צריכות להמשיך ולספק חלקים לרכבים קלאסיים בני עשרות שנים - אבל הכלים המקוריים של רבים מהחלקים הנדירים האלה בוטלו זה מכבר, וחיתוך תבנית הוא יקר, במיוחד כאשר אי פעם יהיה צורך רק בקומץ יחידות, מה שהופך אותה להצעה כלכלית גרועה.

על ידי דיגיטציה של נתוני התלת-ממד עבור חלקים נדירים אלה, יצרני רכב יכולים לייצר אותם לפי דרישה באמצעות הדפסה תלת-ממדית בכל פעם שלקוח צריך אחד - מבלי לשאת מלאי פיזי גדול שקושר שטחי מחסן, וללא העלות הגבוהה ליחידה- של עיבוד מחדש עבור ריצת ייצור קטנה. דגם "מחסן דיגיטלי" זה הופך למגמה גוברת באספקת חלקים לרכבים קלאסיים ובמהדורה מוגבלת-.

איחוד זקוף מתלים: Carbon Performance שילב תשעה רכיבים נפרדים של מתלה זקוף של מכונית ספורט לוטוס לחלק אלומיניום בודד מודפס בתלת מימד, הפחתת משקל ושיפור קשיחות.

חדשנות קליפר בלמים: קליפר בלם טיטניום מודפס בתלת מימד של בוגאטי עבר בדיקות לחץ, והוכיח חוזק ועמידות עדיפים על קליפרים המיוצרים באופן מסורתי.

ערוצי קירור משולבים: BMW מדפיסה ערוצי נוזל קירור ישירות לתוך ראשי צילינדר מסדרת M-, תוך אופטימיזציה של ניהול תרמי כדי להגביר את ביצועי המנוע.

הדפסת מבנה רכב מלא: Local Motors 3D הדפיסה את גוף הרכב החשמלי Strati שלה, והונדה הדפיסה לוחות צד עבור קונספט ה-Micro Commuter שלה - שניהם הדגימו את הפוטנציאל של הדפסת תלת מימד בכל רמת המבנה של הרכב.

האיחוד של Carbon Performance של תשעה רכיבים נפרדים של מתלה של מכונית ספורט לוטוס זקוף לחלק אלומיניום בודד מודפס בתלת מימד הוא דוגמה בולטת במיוחד, מכיוון שהוא חושף את אחד היתרונות הבסיסיים שמייחדים הדפסת תלת מימד מייצור מסורתי: איחוד חלקים. ייצור מסורתי, מוגבל על ידי אופן עיבוד והרכבה של חלקים, מצריך לעתים קרובות פירוק רכיב פונקציונלי מורכב למספר חלקים פשוטים יותר המעובדים בנפרד ואז מחברים יחד עם ברגים או ריתוכים. כל אחד מאותם מפרקים הוא נקודת תורפה פוטנציאלית וסיכון פוטנציאלי לכשל, וכל אחד מהם גם מוסיף זמן ההרכבה ומורכבות בקרת האיכות-.

ההיגיון המוסף של-ייצור מאחורי הדפסת תלת מימד שובר לחלוטין את המגבלה הזו. מעצבים יכולים להתחיל ישירות מהדרישה הפונקציונלית ולעצב מבנה מורכב אחד ומשולב - המקפל את הפונקציה של תשעה חלקים נפרדים לרכיב מודפס אחד. זה לא רק מפחית את ספירת החלקים ואת מורכבות ההרכבה, אלא גם - על ידי ביטול מפרקים מרובים - משפר באופן משמעותי את הנוקשות והמהימנות המבנית הכוללת, תוך השגת חיסכון במשקל.

קליפר בלם טיטניום מודפס בתלת-ממד של בוגאטי ממחיש באופן דומה את הפוטנציאל של הדפסת תלת-ממד ברכיבי ביצועים קיצוניים-. קליפרים של בלמים צריכים לעמוד בלחץ בלימה עצום וברכיבה תרמית חוזרת ונשנית. קליפר הטיטניום של בוגאטי, שיוצר באמצעות הדפסת תלת-ממד, עבר בדיקות לחץ קפדניות והוכיח חוזק ועמידות שהעלו על קליפרים שנעשו באמצעות פרזול או יציקה מסורתיים - הוכחה שייצור תוסף יכול כעת להתחרות ראש-ראש מול תהליכים בטיחותיים מסורתיים{1}בקרתיים{1}.{9}

הרכב החשמלי Strati המודפס בתלת-ממד של Local Motors ולוחות הצד המודפסים בתלת-ממד של הונדה עבור קונספט ה-Micro Commuter מייצגים חקירה מוקדמת של הדפסת תלת-ממד המשתרעת מרמת הרכיבים ועד ליישומים מבניים של כל-רכב. בעוד שפרויקטים אלה נותרים כיום ברובם בשלב -אימות הרעיון והייצור-קטן-, הם מדגימים את ההיתכנות של הדפסת תלת-ממד עבור רכיבים מבניים גדולים ברמת -גוף, תוך בניית ניסיון טכני יקר ערך ונתונים לקראת{10}}הגדלה בקנה מידה מלא{11} של כלי רכב בתלת-ממד.

קידום הסטנדרטיזציה וההסמכה: פרויקט SYMPA מפתח שרפים -מוסמכים של SLA לרכב. פרויקט IDAM, בתיאום BMW, מתמקד בתיעוש תהליכי ייצור תוספים ומערכות אוטומציה. פרויקט NextGenAM משתף פעולה עם מגזר התעופה והחלל כדי לייעל את יעילות הייצור.

הורדת המחסום עבור יצרנים: לאחר אישור תהליכי הדפסה וחומרי הדפסה, חברות קטנות ובינוניות-יכולות לאמץ חומרה תואמת ישירות לייצור חלקים, מבלי לשאת בעלות הגבוהה של הסמכה עצמאית - המאיץ את האימוץ של הדפסת תלת-ממד בתעשיית הרכב.

עבודת תקינה והסמכה היא לעתים קרובות החלק הכי קל להתעלם, אך הקריטי ביותר, בהעברת טכנולוגיה חדשה מהמעבדה ליישומים תעשייתיים-גדולים. תעשיית הרכב מחזיקה בדרישות רגולטוריות מחמירות ביותר סביב תקני ביצועי חומרים ותקני בטיחות עבור רכיבים - אפילו חומר או תהליך חדש עם ביצועים מרשימים ברמה הטכנית ייאבק על אימוץ נרחב בכלי רכב בייצור ללא הסמכה בתעשייה.

פרויקט SYMPA מתמקד בפיתוח-חומרי שרף רגישים לאור SLA מוסמכים לרכב, ניקוי נתיב תאימות לחומרי הדפסת תלת מימד מבוססי שרף כדי להיכנס לשרשרת האספקה ​​של חלקי הרכב. פרויקט IDAM, המתואם על ידי BMW, מתמקד באינטגרציה התעשייתית של כל זרימת העבודה של הייצור התוסף עם מערכות אוטומציה, בוחן כיצד להפוך תהליך הדפסה תלת-ממדית המסתמך כיום מאוד על התערבות ידנית לכזה שיכול לפעול ביציבות ובקנה מידה בקו ייצור אוטומטי. פרויקט NextGenAM הולך צעד קדימה, תוך שיתוף פעולה עם תעשיית התעופה והחלל כדי לייעל במשותף את יעילות ייצור תוספי מתכת - מאז שחלל צברה ניסיון בוגר יותר בבקרת איכות והסמכה עבור הדפסת תלת-ממד מתכת, וסוג זה של שיתוף פעולה חוצה-תעשיות עוזר להאיץ את הבשלת הטכנולוגיה של מגזר הרכב.

לאחר שמסגרות הסמכה אלו יוקמו ויושקו, הן יורידו באופן משמעותי את המחסום עבור יצרנים קטנים ובינוניים- לאמץ הדפסת תלת-ממד. כיום, השלמת הסמכת חומרים ותהליכים באופן עצמאי דורשת השקעה ניכרת של זמן וכסף - לרוב יותר ממה שחברה קטנה יכולה לשאת. ברגע שתקני התעשייה ותהליכי הסמכה מתקיימים, חברות קטנות יותר יכולות לאמץ כבר-מערכות חומרה וחומרים תואמות, ישירות לייצור, מבלי לשכפל את השקעת ההסמכה הזו. זה יאיץ באופן דרמטי את התפשטות ההדפסה התלת-ממדית על פני כל שרשרת האספקה ​​לרכב, ובמיוחד יאפשר לספקי החלקים השני- והשלישי- להפיק גם תועלת מהיתרונות היעילות שהטכנולוגיה מציעה.

ההיתכנות של רכב מודפס בתלת מימד: ככל שטכנולוגיית הדפסת תלת מימד מבשילה עבור רכיבי ליבה כמו סוללות, מנועים וחיישנים, כלי רכב עתידיים עשויים בסופו של דבר להיות מודפסים במלואם, מהמנוע ועד לגלגלים. מגנטים להדפסה כבר קיימים, למשל - 3הדפסת מנוע חשמלי צריכה בעיקר להתגבר על אתגרים בהרכבה אוטומטית ותאימות חומרים.

אתגרי הרכבה אוטומטית: המכשולים הנוכחיים כוללים את היכולת של מערכות רובוטיות לשלב חלקים המגיעים ממספר מדפסות. פרויקטים כמו IDAM בונים מתקני ייצור מתקדמים כדי לעזור לדחוף את המטרה הזו קדימה.

השינוי הצפוי בתעשייה: בעוד שמכוניות מעופפות נותרו פוטנציאל רחוק, מכוניות מודפסות בתלת-ממד יכולות לעבור מרעיון לייצור בעשור הבא, ולעצב מחדש באופן יסודי את שרשראות האספקה ​​ואת דגמי הייצור של ייצור הרכב המסורתי.

השגת באמת "רכב מודפס בתלת מימד" דורשת פתרון של יותר מסתם הדפסה מבנית גוף -, האתגר המרכזי יותר טמון בייצור תוסף של רכיבי ליבה משולבים במיוחד כמו סוללות, מנועים וחיישנים. חומרים מגנטיים הניתנים להדפסה כבר השיגו פריצת דרך, כלומר ניתן לייצר את המגנטים הקבועים בלב מנוע חשמלי באמצעות הדפסה, מה שמניח בסיס חומרי להמשך שילוב ייצור המנוע בתהליך ההדפסה. הדפסה תלת-ממדית מלאה של מנוע שלם, לעומת זאת, עדיין דורשת פתרון של האתגר של הדפסה משותפת של מספר חומרים שונים ומודולים פונקציונליים - פיתולי סליל, חומרי בידוד, מבני קירור ועוד - שנותר מוקד מרכזי של המחקר הטכני הנוכחי.

אפילו ברגע שניתן לייצר כל רכיב בודד באמצעות הדפסת תלת מימד, היכולת של שלב ההרכבה האוטומטית היא קריטית באותה מידה להשגת ייצור בקנה מידה של-רכב. צוואר הבקבוק הנוכחי בתעשייה הוא שמערכות רובוטיות, בעת שילוב חלקים המגיעים ממדפסות שונות ומאצות ייצור שונות, זקוקות לרוב לנתיבי אחיזה והרכבה-מתוכנתים מותאמים אישית עבור כל סוג חלק -, חסרות הגמישות והרבגוניות הדרושות להתמודדות עם האופי-הגדול והנמוך-של ייצור חלקים מודפסים בתלת-ממד. שיתופי פעולה בתעשייה כמו פרויקט IDAM פועלים לבניית מתקני ייצור אוטומטיים מתקדמים יותר, ובוחנים כיצד להפוך מערכות רובוטיות להסתגלות בצורה חכמה יותר למגוון החלקים המודפסים בתלת-ממד - לסף קריטי שיש לעבור אותו כדי להשיג ייצור מוקטן של כלי רכב מודפסים בתלת-ממד.

בעוד שייצור מכונית מעופפת מודפסת תלת-ממדית,-מוכנה לכביש נותרה אפשרות רחוקה לעת עתה, המסלול הנוכחי של הפיתוח הטכנולוגי מצביע על כך שמכוניות מודפסות בתלת-ממד יכולות לעבור בהדרגה מאימות הרעיון לייצור-בקנה מידה קטן במהלך העשור הבא. שינוי זה יכלול יותר מסתם שדרוג ברמת-תהליך הייצור -, הוא עומד לעצב מחדש מהותית את מבנה שרשרת האספקה ​​ואת ארגון הייצור של תעשיית הרכב המסורתית, תוך התרחקות ממודל הבנוי על ייצור סטנדרטי-בקנה מידה גדול והשקעה ריכוזית בכלים, לעבר מודל גמיש יותר, מבוזר, לפי-ביקוש דיגיטלי.

על ידי קיצור מחזורי הפיתוח, הפחתת עלויות הייצור ואפשרות עיצובים מורכבים, הדפסת תלת מימד הפכה למניע מרכזי של חדשנות בייצור רכב. בעוד פריצות הדרך נמשכות במדעי החומרים ובאוטומציה, עידן הרכב המודפס בתלת-ממד מתקרב - ומביא לתעשייה חסרי תקדים ליעילות ופוטנציאל התאמה אישית. מאיטרציה מהירה במהלך אימות אב טיפוס, לשדרוגים קלים בכלי ייצור, לייצור חלקים מותאם אישית ולפי דרישה-, כל הדרך לחזון העתידי של רכב מודפס במלואו, הדפסת תלת מימד מעצבת מחדש באופן שיטתי כל שלב של ייצור הרכב, דוחפת את התעשייה כולה ליעילות וגמישות אישית רבה יותר.