Aplicacions de la impressió 3D a la indústria de fabricació d'automòbils

La tecnologia d'impressió 3D està remodelant la indústria de fabricació d'automòbils de diverses maneres, des de la producció de peces i la fabricació de motlles fins a cicles d'R+D escurçats, disseny integrat lleuger i canvis encara més amplis a la cadena de subministrament industrial. Tot i que la tecnologia encara s'enfronta a limitacions reals pel que fa a la producció massiva a gran-escala, el seu valor com a eina auxiliar en el desenvolupament de vehicles s'ha reconegut àmpliament a la indústria. A continuació, es mostra detalladament com s'aplica la impressió 3D avui, juntament amb un relat honest d'on encara queda curt.

La impressió 3D s'utilitza ara per produir components d'automòbils tant de plàstic com de metall. La tecnologia d'impressió 3D de plàstic s'adapta molt bé a peces no-crítiques, com ara panells de control interiors i components del tauler, on les toleràncies dimensionals són menys exigents i la iteració del disseny importa més que la resistència mecànica bruta. La impressió 3D metàl·lica, en canvi, s'aplica cada cop més a peces complexes com ara els blocs del motor i els components de culata - amb geometries internes complicades que són difícils o costoses de produir mitjançant la fosa convencional.

Un exemple notable és una tècnica de colada lliure de motlles-sense patrons que s'ha utilitzat per escurçar el cicle de producció dels components del motor dels tradicionals tres-a-mesos necessaris per a l'eina a tan sols dues setmanes, alhora que redueix els costos en uns quants centenars de milers a diversos milions de iuans. Aquest tipus de guany és possible perquè la tecnologia passa per alt la necessitat de dissenyar, mecanitzar i validar un motlle físic abans que es pugui produir una sola peça -, un pas que tradicionalment consumeix la major part del temps de lliurament en el desenvolupament de components del motor.

Dit això, les limitacions de la tecnologia són tan importants d'entendre com els seus punts forts. Els sistemes bàsics com el tren de propulsió, la suspensió, el paquet de bateries, els pneumàtics, les rodes, els arnes de cablejats, els motors elèctrics i els parabrises encara depenen gairebé completament dels mètodes de fabricació tradicionals. 3La impressió D no pot produir directament components electrònics de precisió com ara cablejats, plaques de circuits o sensors - aquests romanen fermament en el domini dels processos de fabricació establerts i no hi ha cap indicació de processos de fabricació establerts. els desplaçarà a curt termini. A la pràctica, això significa que la impressió 3D avui en dia funciona com un complement, més que un reemplaçament, per a la fabricació d'automòbils convencional.

Un dels avantatges més clars de la impressió 3D en un context d'automoció és el prototipat ràpid de motlles i eines. Com que la tecnologia construeix peces directament a partir de dades gràfiques per ordinador sense requerir mecanitzat o un motlle físic, pot generar components de gairebé qualsevol forma a demanda. Això escurça dràsticament el cicle de desenvolupament i producció de motlles d'automòbil en comparació amb els mètodes convencionals.

On el desenvolupament de motlles tradicionals pot trigar diversos mesos - que inclou disseny, fabricació d'eines, proves i cicles de correcció - 3La impressió D pot comprimir la mateixa línia de temps en poques setmanes, alhora que redueix els costos de R+D. Aquest avantatge de velocitat es combina en un programa de vehicles: un motlle que es pot repetir en dies en lloc de setmanes permet als equips d'enginyeria provar més variacions de disseny abans de comprometre's amb eines de producció cares.

Mirant més endavant, molts de la indústria veuen la impressió 3D com una possible direcció futura per a la fabricació de motlles d'automoció de manera més àmplia. En reduir la dependència dels processos tradicionals d'estampació i forja per a determinades aplicacions, la fabricació additiva podria ajudar a impulsar la producció de motlles cap a un model més eficient i de menor cost -, especialment per a tirades d'eines de baix-volum o molt personalitzades on el cost inicial de les matrius convencionals és difícil de justificar.

Els fabricants d'automòbils estan aprofitant els{0}}prototips ràpids de la impressió 3D per comprimir significativament el temps necessari per a la validació del disseny exterior i la producció de models. Quan els cicles de desenvolupament de vehicles nous superaven habitualment els dos anys, ara molts programes s'han comprimit a menys d'un any. Aquesta acceleració no es produeix en un buit - és una resposta directa a la intensificació de la competència del mercat. Només el 2014, es van llançar 328 nous models de vehicles al mercat xinès, i aquest nivell de pressió competitiva ha empès els fabricants a adoptar la impressió 3D com a forma d'augmentar l'eficiència de la R+D i aconseguir nous dissenys al mercat més ràpidament.

Més enllà de la velocitat bruta, la impressió 3D també admet el desenvolupament simultani i sincronitzat dels processos de fabricació i disseny de productes. En lloc de treballar amb un disseny estrictament seqüencial-a continuació-crear un flux de treball, els equips d'enginyeria i de fabricació poden iterar en paral·lel, la qual cosa redueix els retards causats per les revisions--anteriors i posteriors. El prototipat ràpid també permet que els defectes de disseny apareguin abans, reduint el risc general de desenvolupament abans que un disseny estigui bloquejat per a les eines.

L'optimització estructural és una de les àrees on la impressió 3D ofereix avantatges difícils de replicar amb la fabricació tradicional. Els components que abans requerien el muntatge de mil o més peces individuals es poden, en alguns casos, consolidar-se en poques desenes de peces impreses. Quan es combina amb materials compostos com la fibra de carboni, aquest tipus de consolidació de peces pot produir una reducció significativa del pes total del vehicle.

Els vehicles que incorporen elements estructurals impresos en 3D-com a part d'un enfocament de disseny integrat es beneficien de menys passos de muntatge i, en molts casos, la millora del rendiment general - la reducció de pes admet directament una millor eficiència i característiques de maneig. Aquest paradigma de disseny es considera cada cop més que apunta cap a una nova direcció per a la fabricació d'automòbils en general, una que pot impulsar la indústria en general cap a mètodes de producció més eficients i més sostenibles amb el medi ambient al llarg del temps, ja que els dissenys consolidats normalment també redueixen els residus de material i simplifiquen el desmuntatge--al final de la vida útil.

La producció d'automoció tradicional depèn de cadenes de subministrament complexes, sovint globals, amb components procedents de diversos països abans del muntatge final. 3La tecnologia d'impressió D té el potencial de canviar aquest model permetent que el disseny, l'aprovisionament, la fabricació, les vendes i el reciclatge es concentrin en una sola regió, reduint la dependència de la logística de llarga-distància.

Una il·lustració notable d'aquest canvi és un vehicle conceptual que va aconseguir una producció localitzada mitjançant la impressió en 3D, reduint els costos d'enviament transfronterers-i els terminis de lliurament que solen tenir una cadena de subministrament distribuïda globalment. De manera més àmplia, la impressió 3D admet la producció en lots petits-altament personalitzats, que s'alinea bé amb el canvi més ampli del sector de la fabricació estandarditzada a gran-escala cap a models de producció més flexibles. Aquesta flexibilitat ajuda els fabricants a respondre més ràpidament a la demanda canviant del mercat -, una capacitat que s'ha tornat cada cop més valuosa a mesura que les preferències dels consumidors es fragmenten i els cicles de vida dels vehicles s'escurcen.

Malgrat aquests avantatges, la impressió 3D encara no pot competir amb els processos tradicionals d'estampació i forja quan es tracta de producció estandarditzada a gran-escala. Diversos factors continuen limitant l'adopció més àmplia: el rendiment del material encara es troba endarrerit amb el de les peces metàl·liques fabricades de manera convencional en algunes aplicacions, la qualitat de la superfície sol requerir passos posteriors al-processament addicionals, com ara polir i pintar, i el cost per-peça en volum segueix sent difícil de justificar amb els mètodes-de producció en massa establerts. Els vehicles produïts a gran escala també han de complir uns requisits reglamentaris estrictes i, en moltes jurisdiccions, les propietats del material dels components impresos en 3D-encara no s'han validat completament amb aquests estàndards.

També hi ha una bretxa estructural en el talent i la maduresa de la cadena de subministrament. Actualment, la indústria no té prou professionals que estiguin profundament familiaritzats amb els principis de disseny específics de la fabricació additiva - dissenyar per a la impressió 3D requereix una mentalitat realment diferent a la de dissenyar peces estampades o mecanitzades. Al mateix temps, l'ecosistema de suport més ampli, inclosos els proveïdors de materials especialitzats i els proveïdors de serveis de post-processament, encara s'està desenvolupant i encara no ha assolit el nivell de maduresa que s'observa a les cadenes de subministrament d'automoció tradicionals.

Tenint en compte aquestes limitacions, és probable que la impressió 3D vegi el seu creixement més gran-a curt termini com a eina auxiliar que s'utilitza principalment durant la fase d'R+D del desenvolupament del vehicle, on pot optimitzar els fluxos de treball de disseny mitjançant prototips ràpids i reduir la necessitat de motlles físics costosos durant les primeres etapes de validació.

A llarg termini, el camí més prometedor pot implicar la combinació de la impressió 3D amb els mètodes de fabricació tradicionals -, per exemple, l'ús de motlles impresos en 3D- juntament amb els processos d'estampació convencionals - per aconseguir un equilibri entre cost i eficiència. Aquest tipus d'enfocament híbrid podria ampliar gradualment el ventall d'escenaris en què la fabricació additiva esdevé pràctica per a una producció de grans-volums, en lloc d'exigir que la tecnologia competeixi cara a cara--con l'estampació i la forja segons les seves pròpies condicions.

A mesura que la tecnologia segueixi madurant, s'espera que l'adopció del sector continuï creixent, especialment en els segments de vehicles personalitzats de gamma alta- i en el sector de vehicles d'energia nova, on les produccions més petites, la iteració més ràpida del disseny i la consolidació de peces s'alineen especialment bé amb el que la impressió 3D fa millor. En aquests segments, és probable que el valor de la fabricació additiva es faci cada cop més evident - no com a substitut a l'engròs de la fabricació d'automòbils tradicional, sinó com un complement cada cop més indispensable.