Аддитивные технологии позволяют создавать детали сложной геометрии и компоненты с высокой точностью и качеством. В этом обзоре рассмотрены возможности и преимущества применения аддитивных технологий в автомобилестроении, технологические особенности передового 3D-оборудования для автомобильной отрасли, истории успеха внедрения 3D-печати в производственный цикл.
Зачем внедрять новые технологии в промышленность?
Инновации играют важную роль в развитии автомобильной индустрии. Они позволяют компаниям отвечать на современные вызовы, такие как: недостаточная технологичность, инвестиционный дефицит, высокая потребность в замене импортных комплектующих, отсутствие современной автокомпонентной промышленности. Технологии 3D-печати являются одними из самых инновационных и перспективных в области производства автомобилей. С их помощью создаются сложные детали и компоненты, а также прототипы автомобилей с высокой точностью и качеством.
Среди преимуществ аддитивных технологий (АТ) такие, как: возможность создания сложных геометрических форм; свобода проектирования — создание индивидуальных и настраиваемых изделий; сокращение времени производства и трудовых ресурсов.
В автомобильной промышленности аддитивные технологии могут быть использованы для создания прототипов, инструментов и приспособлений, а также для производства конечных деталей, таких как: корпус автомобильного двигателя, корпус автомобильного ключа, корпус фильтра, корпус зеркала, корпус редуктора, бампер, спойлер, приборная панель, элементы защиты для корпуса, шайба, шестерня, крыльчатка, втулка, насадка, воздуховод, патрубок, педаль, дверная петля, зажимы, рессора, корпус сальника, стеклодержатели, крышка карбюратора, воздуховод, пряжки пассажирских сидений, седла шаровых кранов, торцевые уплотнения, подшипники, ступица и другие детали.
Как из всего разнообразия 3D-принтеров выбрать необходимый?
На самом деле все принтеры отличаются технологией печати, а каждая технология — возможностями.
Технологии SLS и SLM
SLS (Selective Laser Sintering — селективное лазерное спекание) и SLM (Selective Laser Melting — 3D-печать металлом) — это две технологии аддитивного производства, которые используют лазерный луч для создания физических объектов из различных материалов, таких как полиамид или металл.
Технология SLS (селективное лазерное спекание) позволяет создавать трехмерные объекты, спекая порошковые полимерные материалы точечным лазерным нагревом. Ее преимущества:
• Изготовление точных изделий со сложной геометрией, внутренними полостями и внешними деталями.
• Скорость построения до 3000 дм3/ч.
• Низкая себестоимость расходных материалов.
• Отличные физико-механические свойства конечных деталей.
• Сокращение расходов материала за счет того, что не требуется использование опорных структур для поддержки объекта во время печати.
Технология SLM очень похожа на SLS, но использует металлический порошок в качестве материала. Технология SLM обеспечивает высокую прочность и точность печати для создания металлических деталей.
Обе технологии, SLS и SLM, имеют ряд преимуществ в сравнении с традиционными методами производства. Они позволяют создавать сложные геометрические формы, которые трудно или невозможно достичь с помощью других методов. Они также обеспечивают быстрое время производства и экономию материалов, так как не требуют обработки или удаления излишков материала. Кроме того, эти технологии позволяют быстро создавать прототипы и выполнять малые серии производства без необходимости создания сложных инструментов и
пресс-форм.
Рассмотрим кейсы технологии SLS на примере принтеров Farsoon серии HT403P (рис. 1). Серия 403P отличается высокой эффективностью при низкой себестоимости благодаря комбинации высокой скорости сканирования, двусторонней системе подачи материала и съемных цилиндров построения, а также точностью за счет применения интеллектуальной восьмизонной системы нагрева в системах лазерного спекания. Следующие детали созданы из стеклонаполненного полиамида на оборудовании HT403P: корпус зеркала заднего вида, впускной коллектор двигателя (рис. 2а, 2б). Или, например, автомобильный блок предохранителей для проверки легковых автомобилей напечатан на 3D-принтере HT403P‑2 серии Flight (рис. 2в).
Рис. 1. SLS-машина Farsoon HT403P и SLM-машина Farsoon FS350M-4
а) б) в)
Рис. 2. Автомобильные детали из стеклонаполненного полиамида: а — корпус зеркала заднего вида, б — впускной коллектор двигателя, в — автомобильный блок предохранителей для проверки легковых
Изготовление прототипа блока предохранителей, имеющего детализированные конструкции, такие как защелки и пазы, требует многократного процесса механической обработки и сборки при традиционном производстве. Используя двухлазерную систему FLIGHT® Tech, можно производить высококачественные детали и ускорять производственный процесс от итерации проектирования до функционального прототипирования.
FAW-Volkswagen — партнер Farsoon Technologies — начал с внедрения SLA-технологии для прототипирования и разработки новых моделей. Однако с увеличением количества продуктов и роста технологических требований компания FAW-Volkswagen начала поиски другой аддитивной технологии для производства высокопроизводительных функциональных деталей. Выбрав систему лазерного спекания полимерных порошков HT403P, инженерная команда FAW-Volkswagen расширила мощности производства деталей с улучшенным качеством и высокой скоростью производства. Так, компания произвела свои первые аддитивные модели: модель направляющих кронштейнов бампера и функциональный прототип воздуховода.
а) 
б) 
Рис. 3. Напечатанные автомобильные детали:
а — модель направляющих кронштейнов бампера,
б — функциональный прототип воздуховода (длина 800 мм)
Другой пример компании, использующей инновационные технологии в своем производстве, это MANN+HUMMEL — мировой эксперт в области фильтрации, HT403P интегрирована во все процессы от разработки продукта до производства конечных деталей. Деталь «впускной трубопровод в системе двигателя легкового автомобиля» (рис. 4) требовала быстрой итерации дизайна для функционального тестирования клиентом. С размером 600 мм и новым механизмом блокировки функциональная деталь изготовлена на 3D-принтере всего за один день и обладает отличной прочностью, устойчивостью к температуре, влажности и химической коррозии. По сравнению с традиционным процессом деталь, произведенная на HT403P, помогла сэкономить инвестиции и существенно сократить время выполнения заказа.
Rapid Parts Solutions, компания с двумя промышленными 3D-машинами Farsoon Flight 403P, производит разные детали: автомобильный мотор для вентилятора в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для стабилизации потока воздуха и эффективности размораживания. Прочность детали, ее долговечность и высокая температурная стойкость — основные функциональные требования. Традиционное производство этой детали обычно требует 5‑осевого фрезерования или литья под давлением, что занимает много времени, трудоемко и дорого по сравнению с 3D-производством. Производство детали на 3D-принтере Farsoon может быть выполнено за один цикл печати в течение всего двух дней, в то время как традиционное производство занимает 10 дней. Стоимость производства снижена в среднем на 90% для серийного изготовления. Изготовленная деталь обладает высокой прочностью, успешно проходит испытания на ударостойкость и долговечность.
Рис. 4. Впускной трубопровод в системе двигателя легкового автомобиля (длина 600 мм)
Однако Farsoon не остановился только на деталях. Компания решила собрать целый гоночный болид FNX‑17 для формулы FSC, используя 3D-печать (рис. 5). Благодаря технологиям SLS и SLM им удалось воспроизвести более 30 ключевых компонентов, созданных из полимеров, и около 40 деталей из металлов, таких как: руль, приборная панель, подшипник, быстроразъемная опора вала, передняя и задняя амортизирующие опоры, узел воздухозаборника и др.
Рис. 5. Гоночный болид FNX‑17 и примеры напечатанных деталей
Команде в течение одного года удалось разработать и изготовить одноместный автомобиль для гонок с отличными характеристиками ускорения, торможения и маневренности. Благодаря использованию 3D-печати многие компоненты гоночного автомобиля создаются без швов, что делает его конструкцию легкой и жесткой. В результате автомобиль имеет вес всего 250 кг при достижении максимальной скорости в 100 км/ч.
Детали, напечатанные на металлическом 3D-принтере Farsoon:
— Ступица (рис. 5б) соединяет колесо с автомобилем и поддерживает его вес. Уменьшение веса ступицы приводит к уменьшению вращающейся массы, что позволяет гоночному автомобилю разгоняться и замедляться быстрее. 3D-печать ступиц без швов делает их легкими и прочными и в результате улучшает производительность автомобилей на трассе.
— Кронштейн (рис. 5в). Традиционный метод обработки с ЧПУ требует высокой скорости съема материала, что приводит к тяжёлым конечным изделиям. Благодаря использованию технологии SLM удалось оптимизировать конструкцию детали. Как результат, вес конечной колонны составляет всего 478 граммов, что на 44%, чем изготовленная традиционными методами.
— Воздуховод (рис. 5г) напечатан без ограничений, свойственных традиционным методам обработки. Более того, были внесены изменения в конструкцию и толщину стенок воздухозаборника автомобиля. Это позволило сохранить прочность конструкции, при этом снизив ее вес с 948 г до 397 г.
Детали, созданные на 3D-принтерах, в разы легче, чем на станках. Например, усилитель рулевой колонки удалось облегчить на 88%, подшипник топливного бака на 58% (рис. 5д), а передние и задние колонны стали легче на 39%.
Еще один пример: автомобиль FNX‑17, созданный с использованием 3D-печати, имеет множество деталей, включая рулевое управление, колонку, впускной узел, которые были изготовлены с помощью 3D-печати Farsoon. Эти детали созданы из прочных полимеров и металлов, что делает автомобиль легким и прочным. Технология 3D-печати позволяет сократить время производства и создавать детали с высокими механическими свойствами. Меняется процесс разработки гоночных автомобилей, позволяя достигать более высоких характеристик.
Компания Henvvei Automotive использует 3D-принтер серии Farsoon Flight для производства интеллектуальных светодиодных матриц и лазерных фар.
Технология SLA
Стереолитография (SLA) или цифровая обработка света (DLP) — это метод, при котором используется чувствительная к ультрафиолетовому излучению жидкая смола. Лазер или свет от проектора, испускающие ультрафиолетовое излучение, выборочно отверждают материал, соответствующий поперечному сечению изделия, что создает трехмерную деталь.
Основные преимущества технологии SLA для автомобильной промышленности:
• Высокая детализация и гладкая поверхность прототипа.
• Гибкость дизайна, возможность создания более сложных и эффективных деталей.
• Быстрое создание новых конструкций.
• Высокая производительность, а также повышение прибыльности.
• Экономичность и доступность для быстрого прототипирования. Они требуют меньше затрат и не требуют сложных инструментов.
Один из передовых производителей SLA-машин — SoonSer. Азиатская компания внедряет технологические инновации и предлагает решения под ключ для 3D-печати в различных отраслях, включая и автомобильную промышленность.
Ярким примером использования принтеров компании SoonSer является внедрение в традиционный цикл производства шин 3D-печати на SoonSer Mars Pro 600 (рис. 6).
Рис. 6. SLA-машина SoonSer Mars Pro 600
Например, использование напечатанных выжигаемых моделей сокращает время производства пресс-форм. Mars Pro 600 способен напечатать за один запуск 2 части модели в течение 30 часов, и за 5 дней мы получаем готовую пресс-форму для производства шин (рис. 7). Это гораздо дешевле и быстрее, чем традиционный процесс на ЧПУ.
Рис. 7. Модель шины
В настоящее время применение 3D-печати особенно подходит для производства области дизайна и разработок автомобилей, а также для малых партий отдельных деталей. Например, разработка моделей автомобилей, кузова, шасси, синхронизатора и других деталей, а также единичное производство резиновых и пластиковых деталей.
С помощью 3D-печати в области дизайна автомобилей производители могут обеспечить быстроту создания прототипов, необходимую в исследованиях и разработках формы автомобиля. Разработка автозапчастей в традиционной автомобильной промышленности также часто требует длительного времени исследований, разработок, испытаний. Для этого также необходимо создавать пресс-формы для деталей, что занимает много времени и дорого стоит, а при необходимости исправления деталей также потребует длительного цикла. В таких случаях 3D-печать помогает быстро создавать сложные детали. И если что-то идет не так во время испытаний, люди могут просто изменить 3D-файл и повторно распечатать его для повторного тестирования. Другими словами, технология 3D-печати делает разработку будущих деталей более дешевой и эффективной.
Еще одна компания, специализирующаяся на технологии SLA, UnionTech — азиатский производитель 3D-принтеров (рис. 8). Благодаря технологии стереолитографии UnionTech может достичь высокой точности и качества печати, что является важным для автомобильных компонентов. Например, производимые фары (рис. 9) имеют высокие стандарты и требования. Технология 3D-печати позволяет успешно решить проблему дорогостоящего производства плафонов для автомобильных фар. Материалы, используемые в 3D-печати UnionTech, также соответствуют строгим стандартам прозрачности, установленным для автомобильных фар.
Рис. 8. Модель SLA 3D-принтера UnionTech RSPro 2100 c областью построения 2100×700×800 мм
Рис. 9. Прототипы плафонов фар
Или, например, 3D-печать позволяет компании HTW Berlin Motorsport для разработки и производства 3D-деталей и систем воздушного охлаждения (рис. 10) создавать сложные геометрические формы и оптимизировать конструкцию детали для максимальной эффективности охлаждения. Это позволяет производителю автомобильных двигателей улучшить производительность и надежность продукции, а также снизить расход топлива и выбросы вредных веществ.
Рис. 10. Воздушный короб, напечатанный на 3D-принтере
Еще пример Great Wall Motor — крупнейшая китайская частная автомобилестроительная компания. Для нее был создан прототип крышки двигателя. Результаты превзошли ожидания. Получилось изготовить деталь цельной без дополнительной сборки, в отличие от станочных деталей. Также создание крышки не было трудоемким процессом, требующим использования трех разных машин. К тому же конечная деталь, изготовленная с помощью станка, весила менее 1 кг, но была вырезана из 27‑килограммового блока материала, что привело к значительным отходам. В то же время у детали, созданной с помощью 3D-печати, было очень мало отходов смолы, и в целом стоимость производства получилась ниже.
Также аддитивные технологии нашли применение и в изготовлении интерьера автомобиля. Благодаря высокой детализации и сложности дизайна можно точно воспроизвести различные внутренние компоненты, будь то панели приборов, ручки, решетки и др.
Технология FDM
FDM-технология отличается своей простотой и доступностью, что делает ее идеальной как для новичков, так и для предприятий, желающих расширить свои возможности в области 3D-печати. Она позволяет создавать 3D-объекты, слоями нанося расплавленный пластик на рабочую платформу.
Пользователи могут экспериментировать с различными материалами, такими как пластик ABS, PLA, PETG и другие, чтобы достичь определенных свойств и характеристик в своих 3D-печатных изделиях. Кроме того, FDM-принтеры позволяют настраивать различные параметры печати, такие как скорость печати, толщина слоя и заполнение, что дает пользователю большую гибкость и контроль над процессом печати.
Однако возможности FDM не ограничиваются только простыми и доступными функциями. Принтеры FDM могут быть модернизированы и улучшены до промышленного уровня, позволяющего использовать более сложные материалы и реализовывать более сложные детали и конструкции для производства функциональных прототипов, инструментов и даже конечных изделий.
Рис. 11. 3D-принтер F2 Gigantry компании F2 innovations
Компания F2 innovations — производитель 3D-оборудования, имеющий сертификат CТ‑1. Компания предлагает инновационную и доступную FDM- и FGF-печать с индукционной системой подогрева экструдера, что позволяет расширять диапазон материалов и экспериментировать с ними. Производственная линейка 3D-принтеров начинается с небольших по размерам промышленных решений от 450×350×600 мм F2 Lite до F2 Pro с размерами области построения 1000×600×1000 мм. Кстати, для решений FGF-печати доступен уникальный 3D-принтер: F2 Gigantry представляет собой открытый портал с экструдером, способным создавать детали до 3,5 метров в длину, 1,8 метра в ширину и 1,5 метра в высоту (рис. 11).
3D-принтеры F2 innovations могут создавать изделия практически любой формы и размера для разных отраслей промышленности, в том числе и автомобильной (рис. 12):
Рис. 12. Напечатанные автомобильные детали
Binder Jetting
Отечественный производитель 3D-принтеров технологии Binder Jetting ZIAS Machinery является единственным производителем в России 3D-принтеров, способных создавать литейные формы и стержни из песчано-полимерного слитка непосредственно из цифровых моделей (рис. 13, рис. 14). Использование технологии Binder Jetting на машине ZIAS BPrint Maxi позволяет быстро изготавливать детали по сравнению с другими типами 3D-печати.
Рис. 13. Аддитивная установка ZIAS BPrint Maxi
а) б) в)
Рис. 14. Напечатанные литейные формы
Аддитивная установка ZIAS BPrint Maxi (рис. 13) предназначена для изготовления разовых песчано-полимерных форм и стержней методом послойного синтеза для производства фасонных отливок различной степени сложности из сталей, чугунов и цветных сплавов. Точность отливок не менее 6–7 класса по ГОСТ Р 53464‑2009.
Литейные формы изготавливаются из кварцевого песка и связующих материалов на основе фурановых смол.
Один из ярких примеров использования BPrint — компания «КАМАЗ». С помощью 3D-печати «КАМАЗ» изготавливает песчаные формы для литья без лишних временных и физических затрат и увеличивает объемы производства двигателей для своих автомобилей. После внедрения оборудования рабочая нагрузка на персонал значительно снизилась, в то время как качество повысилось.
Реверс-инжиниринг
Кроме самих принтеров хочется отметить важный компонент аддитивного производства — реверс-инжиниринг. В рамках реверс-инжиниринга используются различные методы, чтобы получить точные данные о геометрии и структуре объекта. Затем эти данные используются для создания 3D-моделей, проведения анализа и моделирования, а также для проектирования и изготовления новых продуктов на основе уже существующих.
Реверс-инжиниринг включает в себя несколько этапов:
• 3D-сканирование для получения внешней геометрии изделия.
• Томография для получения геометрии внутренних каналов и полостей.
• Спектральный анализ, при необходимости, для определения материала деталей.
• Разработка CAD-модели и конструкторской документации.
• Инженерные расчеты для проверки и оптимизации результата.
Реверс-инжиниринг широко применяется в различных отраслях, включая автомобильную промышленность, для улучшения и оптимизации существующих продуктов и процессов.
Инновационными гаджетами 3D-сканирования являются сканеры Shining 3D. SHINING 3D — доступные, эффективные и высокотехнологичные решения.
Одним из проектов, реализованных с помощью 3D-сканирования, является воссоздание легендарного автомобиля Audi Sport Quattro. Две компании, LCE Performance и Downforce Racing, сотрудничали в этом проекте. LCE Performance выполнила 3D-сканирование рамы автомобиля с использованием сканера SHINING 3D FreeScan UE Pro. Затем данные были использованы Downforce Racing для создания точных 3D-моделей и проведения CFD-моделирования, чтобы улучшить характеристики автомобиля.
Также был реализован проект по созданию гоночного автомобиля с трубчатым шасси на основе реверс-инжиниринга (рис. 15). В этом проекте использовался 3D-сканер EinScan HX, который обладает высоким разрешением и точностью сканирования, особенно для черных и отражающих поверхностей. С помощью этого сканера были получены данные для проектирования широкофюзеляжных комплектов, которые были распечатаны на 3D-принтере и прикреплены к кузову автомобиля.
Рис. 15. 3D-сканирование корпуса автомобиля и блока цилиндров
Эти проекты демонстрируют важность 3D-сканирования и 3D-печати в автомобильной промышленности, позволяя точно воспроизводить детали и улучшать характеристики автомобилей. Они также сокращают затраты на сборку, ручной труд, время и материалы.
Выводы
Перспективы развития автомобильной индустрии с использованием 3D-печати огромны и могут привести к ряду значительных изменений и преимуществ.
Во-первых, использование 3D-печати позволит автомобильным производителям создавать более сложные и инновационные детали и компоненты. Это может привести к улучшению производительности, эффективности и безопасности автомобилей. Например, производители смогут создавать более легкие и прочные детали, что приведет к снижению веса автомобилей и улучшению топливной экономичности.
Во-вторых, 3D-печать позволит автомобильным производителям производить детали на заказ и по требованию. Это может сократить время и затраты на производство и складирование запасных частей. Кроме того, это может улучшить обслуживание клиентов и снизить время простоя автомобилей в сервисе.
В-третьих, использование 3D-печати может снизить зависимость автомобильной индустрии от поставщиков запасных частей. Производители смогут создавать детали и компоненты внутри своих собственных производственных помещений, что может улучшить контроль качества и снизить риски прерывания поставок.
В-четвертых, 3D-печать может улучшить гибкость и адаптивность производства. Производители смогут быстро и легко изменять дизайн и конфигурацию деталей, что позволит им чутко реагировать на изменения в требованиях рынка и потребностях клиентов.
Наконец, использование 3D-печати может снизить экологическую нагрузку автомобильной индустрии. Благодаря возможности создавать детали на заказ и по требованию производители смогут снизить количество отходов и избыточного производства. Кроме того, использование более легких и эффективных деталей может привести к снижению выбросов и потребления топлива.
Блог компании Siu System
https://siusystem.ru/info/obzor-additivnye-tekhnologii-dlya-avtomobilnoy-otrasli/
Видео:
https://www.youtube.com/watch?v=AYGp7toXSe0&t=1647s
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 2-2024
Еще больше новостей |  |
