3D-printen in de auto-industrie:4 belangrijke digitale productietrends

Nieuwe trends op het gebied van zelfrijdende voertuigen, elektrische auto's en massaaanpassing dwingen autofabrikanten en leveranciers zich aan te passen. Om relevant te blijven in het tijdperk van Industrie 4.0, versnellen autobedrijven de acceptatie van 3D-printtechnologieën.

Tegenwoordig wordt 3D-printen, of Additive Manufacturing (AM), gebruikt in vele stadia van de autoproductie, van prototyping en fabricage van gereedschappen tot de productie van reserveonderdelen en eindonderdelen, waardoor autofabrikanten flexibel en innovatief kunnen blijven.

Terwijl 3D-printen steeds meer voet aan de grond krijgt in de auto-industrie, onderzoeken we vier opwindende trends die de toekomst van de technologie in de sector vormgeven.

1. 3D-printen zal de elektrificatie van voertuigen mogelijk maken

Uit een recent onderzoek van Jabil blijkt dat 48 procent van de autofabrikanten ernaar streeft marktleider te worden op het gebied van elektrische voertuigen. Deze toenemende trend voor elektrificatie van voertuigen speelt in op het toenemende gebruik van AM in de auto-industrie.

Naarmate de industrie zich van de verbrandingsmotoren afwendt naar elektrische voertuigen, wordt 3D-printen een oplossing die de ontwikkeling kan versnellen en de manier waarop we kijken naar het ontwerp van auto-onderdelen radicaal veranderen.

Dit laatste is mogelijk dankzij de lichtgewichtmogelijkheden van nieuwe ontwerptools, zoals generatief ontwerp, en de flexibiliteit van AM om geavanceerde ontwerpen tot leven te brengen.

In een interview met Additive Manufacturing Media zegt Kevin Quinn, directeur additief ontwerp en productie van General Motors, dat het slechts een kwestie van tijd is voordat generatief ontwerp en AM de primaire technologieën worden voor lichtere onderdelen voor elektrische auto's.

Maar waarom is lichtgewicht zo belangrijk?

Het verminderen van het gewicht is al lang een doel van voertuigen die worden aangedreven door verbrandingsmotoren om het brandstofverbruik en de emissies te verminderen. In elektrische voertuigen speelt een lager gewicht nog steeds een rol bij het verlagen van het energieverbruik en dus het vergroten van het rijbereik met een bepaalde batterij. Maar er is nog een andere overweging.

Hoe zwaarder het voertuig, hoe meer batterijcapaciteit het nodig heeft om de vastgestelde actieradius en prestatiedoelen te bereiken. Maar batterijen zijn zwaar in vergelijking met andere voertuigcomponenten, dus het toevoegen van batterijcapaciteit heeft de neiging om het voertuiggewicht onevenredig te verhogen.

Het is een vicieuze cirkel die betekent dat gewichtsvermindering – zowel het totale voertuiggewicht als dat van de onderdelen ervan – van cruciaal belang is in een EV-voertuig.

Vanaf 2020 zijn er verschillende EV-projecten het gebruik van 3D-printen in ontwikkeling en productie. Een voorbeeld is de Olli van Local Motors, een 3D-geprinte, autonome elektrische shuttle ontworpen voor lokaal vervoer met lage snelheid.

De shuttle is voornamelijk ontworpen voor gebruik in stedelijke centra in steden, bedrijven en universiteiten campussen en ziekenhuizen.

Hoe heeft het bedrijf dit bereikt?

Local Motors gebruikte enkele van 's werelds grootste 3D-printers - ORNL's Big Area Additive Manufacturing (BAAM) en Thermwood's Large Scale Additive Manufacturing ( LSAM) -machines - om de meeste componenten van Olli te produceren, inclusief het dak en de onderkant van het voertuig.

De autonome shuttle, die momenteel wordt getest op 13 locaties over de hele wereld, markeert een aanzienlijke mijlpaal bij het gebruik van 3D-printen voor EV-productie.

Local Motors is echter niet het enige bedrijf dat 3D-geprinte EV's nastreeft. Arcimoto, een Amerikaanse fabrikant van duurzame voertuigen, produceert Fun Utility Vehicles (FUV's), die zijn voorzien van lichtgewicht 3D-geprinte componenten, ontwikkeld in samenwerking met XponentialWorks.

De onderdelen, waaronder een achterzwaaiarm, knokkel , bovenste bedieningsarm en een rempedaal, werden opnieuw ontworpen voor 3D-printen met behulp van ParaMatters' generatieve ontwerptool, waardoor een gewichtsbesparing van 34 tot 49 procent werd bereikt.

Met de onderdelen die tot nu toe opnieuw zijn ontworpen, hebben de bedrijven 120 van de 200-pond gewichtsvermindering behaald en zijn ze van plan het uiteindelijke doel in de komende maanden te bereiken.

Terwijl de EV-industrie blijft uitzoeken hoe 3D-printen het beste kan worden benut, zal het volgende decennium cruciaal zijn om het gebruik van de technologie voor duurzame voertuigen te versnellen.

2. AM integreren in autoserieproductie

De auto-industrie was een van de allereerste gebruikers van 3D-printen voor rapid prototyping. Nu hebben autofabrikanten de indirecte (bijv. matrijzen) en directe productie van onderdelen geïdentificeerd als de ultieme waardepropositie voor AM.

Deze verschuiving in focus onthult een opwindende trend:OEM's in de automobiel- en 3D-printing gaan de weg op naar digitale massaproductie.

Dat gezegd hebbende, deze reis is niet helemaal eenvoudig. De auto-industrie heeft unieke productie-eisen, waaronder een hoge productiviteit, lage materiaalkosten en een hoge mate van productieautomatisering.

Tegelijkertijd wordt de industrie gevormd door de veranderende trends in vraag, supply chain-dynamiek en regelgeving, om nog maar te zwijgen van het streven naar massale maatwerk.

Om te voldoen aan de eisen van de productie van auto-onderdelen, moet de AM-industrie snel evolueren.

Wat we echter steeds vaker in de industrie zien, is de ontwikkeling van nieuwe technologieën, die van groot belang zijn voor het bereiken van grotere onderdelen, hogere volumes en snellere productie.

Deze vooruitgang wordt voornamelijk gedreven door hardware-evolutie en verhoogde procesautomatisering. Metaalbindmiddelstralen komt bijvoorbeeld uit de schaduw als een levensvatbare productietechnologie. Het biedt een hogere afdruksnelheid in vergelijking met andere metalen AM-processen, wat vooral een zegen is voor autofabrikanten.

Op het gebied van automatisering zoeken autofabrikanten naar manieren om de fasen van de AM-workflows te stroomlijnen. Dit omvat bijvoorbeeld de integratie van ontwerptools om DfAM (Design for Additive Manufacturing) te automatiseren, MES-software om workflowcontrole en traceerbaarheid tot stand te brengen, evenals de integratie van geautomatiseerde hardware voor nabewerking.

Intussen neemt de beschikbaarheid van eindgebruiksmaterialen die voldoen aan de eisen van de automobielindustrie toe. Materiaalontwikkelingsbedrijven erkennen het potentieel om 3D-printen te combineren met autoproductie en werken aan de lancering van UV-stabiele, duurzame kunststoffen en populaire autometalen, zoals aluminium en staal.

Gezien deze ontwikkelingen zullen de inkomsten uit de AM-productie in de auto-industrie tegen het einde van dit decennium bijna $ 10 miljard bedragen, volgens dit SmarTech-rapport.

Hoewel AM aansluit bij de behoeften van de auto-industrie, begint de productie van de laatste onderdelen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de technologie, pas momentum te krijgen. De tractie zal binnen de komende vijf tot tien jaar toenemen, aangedreven door zowel technologische verbeteringen als nieuwe AM-toepassingen voor serieproductie.

3. Samenwerking stimuleert AM-industrialisatie in de automobielindustrie

Bedrijven en onderzoeksinstellingen werken er hard aan om 3D-printen te vertalen naar geïndustrialiseerde, sterk geautomatiseerde productieprocessen voor de autoproductie.

De toegenomen samenwerking blijkt vooral uit het aantal projecten dat recentelijk is gestart.

Eén zo'n project is het Industrialization and Digitalization of Additive Manufacturing (IDAM)-project uit Duitsland, dat vorig jaar werd gelanceerd.

Twaalf projectpartners zijn van plan om AM-productielijnen te creëren die kunnen produceren minimaal 50.000 componenten per jaar in de productie van gemeenschappelijke onderdelen en meer dan 10.000 afzonderlijke en reserveonderdelen onder de hoogste kwaliteits- en kostendruk.

Bovendien moeten de eenheidskosten van de 3D-geprinte metalen componenten hoger zijn dan gehalveerd, volgens het project.

Gecoördineerd door de BMW Group, zal het IDAM-project de komende twee jaar lopen en helpen om 3D-metaalprinten duurzaam in productie te nemen.

Naast 3D-printen van metaal wil de industrie ook polymeer AM bevorderen voor de autoproductie. In dit opzicht markeert het POLYLINE-project de mijlpaal voor 3D-printen van autopolymeer.

Het POLYLINE-project, dat eerder dit jaar werd gelanceerd, heeft tot doel de bestaande uitdagingen bij de integratie van AM in autoproductielijnen te overwinnen. De projectdeelnemers zullen bijvoorbeeld werken aan het ontwikkelen van nieuwe standaarden en het creëren van oplossingen om de automatisering op de productievloer te vergroten.

Als we kijken naar horizontale integratie, zal het project werken aan het opzetten van digitale dataworkflows om een ​​grotere efficiëntie te bereiken in productieprocessen en toeleveringsketens.

Beide projecten zijn in Duitsland gevestigd, wat niet verwonderlijk is, aangezien Duitse autofabrikanten tot nu toe het meeste hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling van AM voor de productie van definitieve onderdelen.

4. 3D-geprinte elektronica voor geconnecteerde auto's

Nu de wereld een nieuw tijdperk van geconnecteerde voertuigen ingaat, neemt het aantal elektronische apparaten, zoals sensoren en antennes in het voertuig, toe. Met deze toename komt er een grotere behoefte aan het ontwerpen en produceren van kleinere, complexere elektronica.

3D-printen voor elektronica creëert nieuwe manieren om slimme componenten te produceren om voertuigen te netwerken en autogegevens te verzamelen.

Laten we sensoren als voorbeeld nemen. Om voertuigen in staat te stellen milieu- en autoprestatiegegevens te verzamelen, hebt u sensoren nodig met draadloze mogelijkheden, aangepaste vormfactoren en zelfs niet-vlakke geometrieën.

Traditioneel worden dergelijke sensoren afzonderlijk van het voertuig gefabriceerd en moeten ze eerst worden geassembleerd en vervolgens naar de fabrikant worden verzonden om uiteindelijk in een onderdeel te worden geïnstalleerd.

De vooruitgang in AM-systemen voor elektronica ontsluiten de mogelijkheid om deze sensoren rechtstreeks in mechanische componenten en de structuur van voertuigen in te bedden. Deze aanpak kan leiden tot een hogere betrouwbaarheid en een langere levensduur in vergelijking met conventioneel geassembleerde sensoren.

Bovendien kan elektronisch 3D-printen de kosten en ontwikkeltijd voor het maken van deze sensoren verminderen.

Anders Knoppen die in een auto worden gevonden, kunnen een toepassing zijn om te profiteren van 3D-geprinte sensoren. Onderzoekers van het Institute of Systems and Robotics in Portugal ontwikkelen benaderingen om fysieke knoppen te vervangen door 3D-geprinte aanraaksensoren.

Neotech AMT GmbH, een ontwikkelaar van elektronica voor 3D-printen, ziet een andere potentiële toepassing van 3D-geprinte elektronica, namelijk verwarmingspatronen voor auto-interieurs. 3D-printen van verwarmingspatronen kan hun gewicht, aantal onderdelen en handmatige montagestappen verminderen.

Ondanks alle voordelen is het nog even wachten op 3D-geprinte elektronische componenten voor auto's. Maar nu veel autofabrikanten 3D-printen voor metalen en plastic auto-onderdelen toepassen, zal het grotere gebruik van 3D-printen voor lichtere, complexere elektronische componenten zeker volgen.

3D-printen in de auto-industrie:op het punt van verandering

Naarmate auto's slimmer en autonomer worden, staan ​​autofabrikanten en leveranciers aan de vooravond van revolutionaire veranderingen. Deze veranderingen stimuleren ook het groeiende gebruik van 3D-printen in de auto-industrie.

3D-printen helpt bedrijven flexibeler te worden in de productie en betere auto-onderdelen te ontwikkelen die met traditionele processen onmogelijk zouden zijn.

Het weven van 3D-printtechnologieën in de autoproductie is ook een trend op zich geworden. Automakers gaan strategische partnerschappen aan met AM-bedrijven en initiëren samenwerkingsprojecten om AM te industrialiseren.

Hoewel de resultaten van deze inspanningen nog moeten worden aangetoond, wijzen hun reikwijdte en visie erop dat de toekomst van 3D-printen in de auto-industrie rooskleurig zal zijn.