AUTOMOBIL BUDUĆNOSTI NEĆE SE SAMO SKLAPATI – ON ĆE SE I 3D PRINTATI
Od mikroskopskih lamela u kalupu automobilske gume do hiperautomobila i motorsporta.
Automobilska industrija više od jednog stoljeća usavršava procese lijevanja, kovanja, glodanja, tokarenja i zavarivanja. Međutim, nova generacija vozila pred konstruktore postavlja potpuno drugačije zahtjeve: manju masu, bolju termalnu kontrolu, kraće razvojne cikluse, elektrifikaciju i sve kompleksnije komponente.
U takvom okruženju 3D print u autoindustriji, odnosno metalna aditivna proizvodnja (Additive Manufacturing – AM), prestaje biti tehnologija rezervirana za prototipe.
Danas se aditivno proizvode proizvodni alati, dijelovi kalupa, izmjenjivači topline, komponente pogonskih sustava i strukturni elementi vozila. U motorsportu, gdje svaki gram i svaki dan razvoja imaju vrijednost, tehnologija je otišla još dalje.
Kompanija EOS, jedan od pionira industrijske aditivne proizvodnje, razvija DMLS tehnologiju još od 1989. godine. Danas se EOS sustavi koriste za razvoj i serijsku proizvodnju metalnih i polimernih komponenti u automobilskoj, zrakoplovnoj, medicinskoj i drugim visokotehnološkim industrijama.
Za tvrtke u regiji, Tehnoprogres, kao regionalni partner njemačke tvrtke EOS, povezuje ovu tehnologiju s lokalnom industrijom – od prvog prepoznavanja aplikacije i analize poslovnog slučaja do implementacije tehnologije, edukacije i podrške.
Ne treba printati ono što već dobro proizvodimo
Jedna od najvećih zabluda vezanih uz metalni 3D print jest ideja da će on zamijeniti CNC obradu, lijevanje ili kovanje.
Neće – niti bi trebao.
Ako se jednostavna komponenta može ekonomično proizvesti iz komada materijala na CNC stroju, nema mnogo smisla istu geometriju prebaciti na 3D printer.
Prava vrijednost aditivne proizvodnje nastaje kada promijenimo način na koji konstruiramo komponentu.
Umjesto pitanja:
„Možemo li ovaj dio 3D printati?“
važnije pitanje glasi:
„Što bismo napravili drugačije kada više ne bismo imali ograničenja klasične proizvodnje?“
Tada postaju mogući unutarnji kanali koji prate geometriju komponente, rešetkaste i bioničke strukture, integracija više dijelova u jednu komponentu, lokalno optimiziranje materijala te geometrije koje klasičnim alatima jednostavno nisu dostupne.
Upravo se tu nalazi stvarna vrijednost tehnologije.
3D print u autoindustriji: od kalupa za gume do novih performansi
Jedna od manje poznatih, ali izuzetno zanimljivih primjena metalnog 3D printa nalazi se u proizvodnji automobilskih guma.
Kompleksan profil moderne gume nije samo pitanje dizajna. Svaki kanal, blok i lamela utječu na ponašanje gume na suhoj, mokroj, snježnoj ili zaleđenoj podlozi.
Posebno su zanimljive tanke lamele, odnosno sipes, koje se u kalupu koriste za formiranje finih elemenata gaznog sloja.
Kako geometrije postaju složenije, konvencionalna proizvodnja takvih elemenata postaje sve zahtjevnija. Aditivna proizvodnja omogućuje izradu kompleksnih trodimenzionalnih sipes elemenata, uključujući geometrije s podrezima koje je konvencionalnim metodama teško ili nemoguće proizvesti.
EOS upravo proizvodnju kalupa i segmenata za gume navodi kao jednu od relevantnih automobilskih tooling aplikacija metalnog 3D printa.
To proizvođaču guma otvara potpuno novu mogućnost: performanse gume mogu se razvijati kroz geometriju koju prije nije bilo moguće proizvesti.
Drugim riječima, 3D printer ovdje nije zanimljiv zato što drugačije proizvodi isti alat. Zanimljiv je zato što konstruktoru omogućuje drugačiji proizvod.
Umetak za gumu izrađen na EOS sustavu za 3D print metala
Kada alat postane pametniji od dijela koji proizvodi
Sličan princip postoji kod alata za brizganje plastike, tlačni lijev i oblikovanje limova.
Klasično izrađeni rashladni kanali uglavnom su ograničeni mogućnostima bušenja. Metalni 3D print omogućuje tzv. conformal cooling – rashladne kanale koji prate samu konturu proizvoda.
Rezultat može biti ravnomjernije odvođenje topline, kraći proizvodni ciklus, manje deformacija i duži interval između održavanja.
U EOS-ovom projektu s kompanijom Innomia optimizacija alata s konturnim hlađenjem smanjila je ciklus proizvodnje brizganih automobilskih komponenti za 17 posto, dok je interval održavanja produžen s približno dva tjedna na pet do šest tjedana.
Još značajniji signal dolazi iz Audija. U Metal 3D Printing Centru u Ingolstadtu Audi koristi EOS M 400 za proizvodnju odabranih segmenata alata za hot forming. Pojedini aditivno proizvedeni segmenti dosežu duljinu do 400 mm i masu do 120 kg.
To je važna promjena percepcije tehnologije.
Metalni 3D print više nije samo način proizvodnje komponente automobila.
Ponekad je najveća vrijednost 3D printa u tome da poboljša način na koji proizvodimo milijune konvencionalnih komponenti.
Formula 1: laboratorij u kojem je vrijeme skuplje od materijala
Ako postoji industrija u kojoj se vrijednost tehnologije može ekstremno brzo dokazati, onda je to motorsport.
U Formuli 1 pitanje često nije samo koliko dio košta, nego koliko brzo nova ideja može prijeći put od računala do staze.
EOS je, primjerice, surađivao sa Sauber Technologies na primjenama aditivne proizvodnje usmjerenima na aerodinamičke elemente, funkcionalne dijelove bolida i proizvodna pomagala.
Razlog je jednostavan: AM uklanja potrebu za izradom posebnog alata za svaku iteraciju. Konstruktor može promijeniti CAD model i novu varijantu poslati direktno u proizvodnju.
Motorsport istovremeno koristi još jednu ogromnu prednost tehnologije – lightweight design.
Kod Formula Student projekta Rennteam Uni Stuttgart, korištenjem EOS DMLS tehnologije masa jednog elementa ovjesa smanjena je za 35 posto, odnosno 660 grama, dok je krutost istovremeno povećana za 20 posto.
U cestovnom automobilu 660 grama možda neće zvučati revolucionarno.
Na trkaćem automobilu stotine takvih odluka čine razliku.
3D printani klip: 10 posto lakši i s hlađenjem koje prije nije bilo moguće napraviti
3D printani klipovi motora
Jedan od najboljih primjera za razumijevanje ove filozofije dolazi iz Porschea.
U zajedničkom razvojnom projektu Porschea, MAHLE-a i TRUMPF-a proizvedeni su metalnim 3D printom visokoperformansni aluminijski klipovi za motor Porschea 911 GT2 RS.
Nije bila riječ samo o tome da se postojeći klip proizvede novom tehnologijom.
Konstrukcija je optimizirana prema stvarnim opterećenjima, pa su aditivno proizvedeni klipovi bili približno 10 posto lakši od serijskih kovanih klipova.
Još važnije, unutar krune klipa integriran je zatvoreni rashladni kanal koji konvencionalnim postupkom nije bilo moguće proizvesti.
Manja masa i bolja termalna kontrola omogućuju veći broj okretaja i optimizaciju izgaranja. Porsche je procijenio potencijal povećanja snage za do 30 KS na već 700 KS snažnom biturbo motoru.
To savršeno ilustrira smisao aditivne proizvodnje.
Ako bismo 3D printali potpuno isti klip kakav već možemo kovati, poslovni slučaj vjerojatno ne bi bio posebno zanimljiv.
Ali kada promijenimo konstrukciju klipa upravo zato što ga možemo aditivno proizvesti – dobivamo novu razinu performansi.
Czinger 21C: što ako automobil dizajniramo kao da tvornica nikada nije postojala?
Možda najradikalniji primjer dolazi iz Los Angelesa.
Czinger 21C nije nastao klasičnom filozofijom razvoja automobila. Njegova arhitektura kombinira algoritamski odnosno računalno generirani dizajn, aditivnu proizvodnju i automatizirano sklapanje.
Prema podacima proizvođača, 23 posto vozila je printano, dok struktura šasije ima masu od samo 276 lb, odnosno približno 125 kg.
Posebno su karakteristični organski oblikovani strukturni čvorovi koji izgledaju gotovo kao strukture nastale u prirodi.
I to nije slučajnost.
Kada algoritmu zadamo opterećenja, mjesta prihvata, raspoloživi prostor i sigurnosne faktore, računalo ne razmišlja kao čovjek koji je desetljećima naučen konstruirati dio koji mora biti glodan, lijevan ili zavaren.
Rezultat često izgleda neobično.
Problem je što takve geometrije zatim treba proizvesti.
Tu se generativni dizajn i metalni 3D print prirodno susreću.
Czinger zato predstavlja zanimljiv pogled u budućnost automobilske industrije: automobil se više ne projektira samo prema mogućnostima tvornice – proizvodni sustav prilagođava se optimalnom dizajnu automobila.
Pogled na motorni prostor Czinger modela 21C, s komponentama izrađenima uz primjenu metalne aditivne proizvodnje
– od šasije do kočnica, ovjesa i ispušnog sustava
Od jednog 3D printera do digitalne tvornice
Za automobilsku industriju ipak nije dovoljno dokazati da se jedan impresivan dio može isprintati.
Potrebni su ponovljivost, produktivnost, kontrola kvalitete, automatizacija i ekonomika proizvodnje.
Upravo je to područje u kojem se industrijska aditivna proizvodnja posljednjih godina najviše promijenila.
EOS danas metalni AM ne promatra kao izolirani printer, nego kao proizvodni ekosustav koji obuhvaća sustave za proizvodnju, materijale, procesne parametre, software, monitoring, automatizaciju i post-processing.
Primjer industrijalizacije predstavlja i projekt NextGenAM, koji su zajednički razvijali Premium AEROTEC, EOS i Daimler s ciljem stvaranja automatizirane proizvodne linije za aditivnu proizvodnju serijskih i rezervnih dijelova.
Time dolazimo do sljedeće faze razvoja tehnologije.
Pitanje više nije:
„Možemo li metalni dio 3D printati?“
Sve češće glasi:
„Možemo li ga tako proizvoditi industrijski, ponovljivo i ekonomski opravdano?“
EOS M290 – sustav za 3D print metala
Što to znači za automobilsku industriju naše regije?
Zemlje regije imaju snažnu bazu kompanija koje proizvode alate, strojno obrađene komponente, plastične i metalne dijelove te sklopove za europsku automobilsku industriju.
Upravo zato aditivna proizvodnja ne treba biti promatrana kao konkurencija postojećoj proizvodnji.
Ona može biti njezin sljedeći alat.
Za jednu kompaniju početna aplikacija može biti konturno hlađeni insert za postojeći alat. Za drugu kompleksan element kalupa za gumu. Za treću lagani nosač, izmjenjivač topline ili komponenta elektromotora. Negdje će najveću vrijednost imati brža izrada rezervnog dijela, a negdje mogućnost konsolidacije sklopa od deset komponenti u jednu.
Ključ je pronaći aplikaciju kod koje dodatna konstrukcijska sloboda stvara dovoljno veliku poslovnu vrijednost.
Zato Tehnoprogres, zajedno s EOS-om, pristup metalnoj aditivnoj proizvodnji ne temelji samo na pitanju odabira 3D printera. Cilj je s kompanijom analizirati postojeću proizvodnju, identificirati aplikacije s najvećim potencijalom i procijeniti tehničku i ekonomsku opravdanost njihove proizvodnje aditivnom tehnologijom.
Jer prvi korak prema industrijskom 3D printu ne mora biti kupnja stroja.
Prvi korak je pronaći pravi dio.
Sljedeća revolucija možda neće biti ispod poklopca motora – nego u načinu na koji automobil nastaje
Od 3D printanih sipes elemenata koji definiraju ponašanje automobilske gume, preko alata s unutarnjim rashladnim kanalima i ultralakih motorsport komponenti, pa sve do klipova s integriranim hlađenjem i algoritamski projektiranih struktura hiperautomobila – zajednička nit je ista.
Metalni 3D print omogućuje inženjerima da preispitaju ograničenja koja su desetljećima prihvaćali kao nepromjenjiva.
To možda predstavlja i najveći potencijal aditivne proizvodnje.
Ne da postojeće dijelove proizvodimo na drugačiji način.
Nego da konačno počnemo proizvoditi dijelove koje prije nismo mogli ni projektirati.
Za automobilsku industriju koja istovremeno prolazi kroz elektrifikaciju, digitalizaciju i fundamentalnu transformaciju proizvodnih procesa, upravo bi ta sloboda mogla biti jedna od najvažnijih konkurentskih prednosti sljedećeg desetljeća.
EOS & Tehnoprogres – od ideje i aplikacije do industrijske aditivne proizvodnje. Javite nam se na d.loncar@tehnoprogres.hr s konkretnim izazovom ili projektom I dogovorite sastanak i demonstraciju!
