La produzione di automobili è un importante campo di applicazione della tecnologia di stampa 3D in metallo. Dalla rapida produzione di prototipi, accelerando così l'efficienza della ricerca e sviluppo di nuove auto, alla produzione diretta di piccoli lotti, accorciando la catena di fornitura e risparmiando sui costi, la stampa 3D può essere descritta come un'importante tecnologia complementare nell'industria automobilistica. Inoltre, i vantaggi esclusivi della stampa 3D nella produzione di parti complesse possono semplificare il numero di parti automobilistiche, ridurre il peso e risparmiare materiali. Si può dire che la tecnologia di stampa 3D presenta molti vantaggi per la produzione automobilistica. Detto questo, la tecnologia finora non è stata ampiamente utilizzata nel campo. Ciò è dovuto alla capacità di realizzare parti più veloci, meno costose e più complesse -- ecco come verranno costruite le auto del futuro.
Produzione additiva nell'industria automobilistica
Nel mondo automobilistico, i primi ad adottare la produzione additiva non sono state le case automobilistiche stesse, ma i team che hanno sponsorizzato. Per decenni, le aziende, dalla Ford alla Ferrari, hanno utilizzato le auto da corsa come incubatrici per testare nuove tecnologie. Molte delle caratteristiche standard delle nuove auto ora - frenata rigenerativa negli ibridi, accensione a pulsante e persino specchietti - possono essere ricondotte alle loro radici. Lo stesso principio si applica alla stampa 3D, in particolare alla stampa su metallo. I team di Formula 1, il World Endurance Challenge Racing Team, i team di Formula E e altri hanno tutti sperimentato in prima persona i vantaggi della produzione additiva: rapida iterazione dei progetti, prototipazione rapida e alleggerimento dei componenti, tutti disponibili per migliorare le prestazioni del tuo veicolo in pista.
La fusione del letto di polvere laser è migliore per applicazioni a basso volume e di alto valore (stampa 3D SLM)
Il sistema di stampa 3D più utilizzato fino ad oggi, la fusione a letto di polvere laser, utilizza un laser per fondere la polvere di metallo sottile strato per strato fino a quando la parte non viene fabbricata. Questa tecnologia può fabbricare parti metalliche in modo rapido e accurato ed è stata ampiamente utilizzata nel campo della produzione automobilistica negli ultimi dieci anni. BMW, Ford, Volkswagen, Mercedes-Benz e altre società hanno stabilito casi tipici nell'uso di questa tecnologia e hanno ottenuto la produzione di massa in determinate condizioni, ma la maggior parte delle parti coinvolte in questi casi sono ancora limitate a marchi di fascia alta , e l'importo totale è ancora limitato.
Il motivo è ancora inseparabile dalle esigenze del settore in termini di costi, materiali e velocità. L'attrezzatura per la fusione a letto di polvere laser richiede un investimento iniziale significativo (1 milione di dollari o più per l'intero sistema) e produce solo 1 tonnellata di parti all'anno, il che non è sufficiente a giustificare il costo. Inoltre, anche se la stampa 3D rende più flessibile la produzione di parti metalliche, la stampa è solo il primo passaggio ed è necessaria una serie di processi di post-elaborazione come la rimozione del supporto, che aumenta ulteriormente il costo della parte.
Ad oggi, una gamma di applicazioni di alto valore nel campo automobilistico deriva dai significativi vantaggi di produzione della tecnologia di fusione laser a letto di polvere: le caratteristiche di integrazione, alta precisione e produzione complessa. Ad esempio, General Motors ha utilizzato la progettazione generativa e la stampa 3D per combinare otto componenti della tradizionale staffa del sedile dell'auto in un unico componente, Bugatti ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per produrre la nuova pinza del freno Chiron e Porsche ha stampato in 3D un motore in lega di alluminio con una serie di design innovativi. Prototipi Shell, staffe per capote BMW stampate in lotti per l'auto sportiva i8 Roadster e altro ancora. Questi casi, sia per il prototipo che per l'uso finale, sono inseparabili dalle caratteristiche di produzione uniche della tecnologia di fusione laser a letto di polvere. Ma c'è anche una caratteristica che queste applicazioni sono molto limitate, quasi tutte appartengono a marchi di fascia alta e raramente soddisfano i requisiti della produzione di massa a basso costo in questo campo.
Stampa 3D in metallo desktop basata su estrusione per la prototipazione (stampa 3D FDM)
Le stampanti 3D desktop in metallo basate sull'estrusione presentano un design adatto all'ufficio che elimina il rischio di polvere e esposizione al laser ed è una soluzione end-to-end più facile da usare.
Per gli utenti nelle prime fasi della progettazione e produzione di nuovi veicoli, le stampanti 3D desktop in metallo sono 10 volte più economiche delle tradizionali apparecchiature a letto di polvere e hanno un'operatività facile e veloce. Tali sistemi possono prototipare rapidamente un gran numero di parti internamente, testare rapidamente idee diverse ed esplorare nuove possibilità strutturali, risparmiando tempo e denaro durante cicli di progettazione lunghi e costosi. In definitiva, è possibile presentare progetti migliori a costi di sviluppo inferiori e le aziende possono passare rapidamente dalla progettazione e verifica alla produzione, accelerando il time-to-market. L'operatività flessibile aiuta anche a ridurre i costi in quanto riduce lo spreco di materiale e non richiede personale specializzato per azionare la macchina.
La libertà geometrica offerta dalla stampa 3D consente inoltre ai produttori di creare prototipi rapidi ed esplorare nuovi design di pistoni, eliminando la necessità di esternalizzare il lavoro. La prototipazione di parti su una stampante desktop in metallo facilita anche una transizione graduale alla produzione in serie, poiché i sistemi ad alto volume come il binder jetting sono in grado di produrre progetti altrettanto complessi.
La stampa 3D Binder Jet Metal è più adatta per la produzione di parti ad alto volume (tecnologia 3DP)
La caratteristica più importante del processo di getto del legante è che può ottenere una produzione in serie di stampa 3D in metallo. Il prezzo delle apparecchiature basate su questo processo è inferiore a quello delle tradizionali stampanti 3D laser e la velocità di stampa è decine o addirittura centinaia di volte quella delle apparecchiature di fusione a letto di polvere a quattro laser. Il materiale utilizzato è la tradizionale polvere MIM, che è più economica della polvere sferica e anche il costo di produzione delle parti è decine di volte inferiore rispetto alle parti stampate in 3D laser. Pertanto, il processo di getto del legante supera la stampa 3D in metallo in termini di costo delle apparecchiature, costo della polvere ed efficienza di stampa, anche se le prestazioni delle sue parti sono leggermente inferiori, ma hanno comunque lo stesso livello delle parti stampate a iniezione. Pertanto, questa tecnologia è più adatta per realizzare la produzione di pezzi ad alto volume.
Sulla base dei vantaggi di cui sopra, gli attuali principali OEM automobilistici stanno accelerando l'uso di questa tecnologia. I principali sviluppatori di stampa 3D di metalli a getto di legante hanno stretto partnership con i principali marchi dell'industria automobilistica: Volkswagen sta lavorando attivamente con HP, Ford sta anche utilizzando la tecnologia di getto di legante di ExOne per produrre parti di automobili e Desktop Metal ha recentemente vinto Una casa automobilistica tedesca ha vinto un Contratto da 7,9 milioni di dollari e l'industria ipotizza che il cliente possa essere il BMW Group.
Per le parti che devono essere prodotte in serie, un altro vantaggio della stampa 3D in metallo a getto di legante è ancora più pronunciato: la produzione senza stampo. La tecnologia elimina la necessità di stampi, consentendo agli ingegneri di portare progetti già migliorati, sia mediante la stampa 3D di metallo per estrusione desktop che i metodi tradizionali di prototipazione, alla produzione di massa con la stampa 3D di metallo a getto di legante. Velocità di stampa competitive con i tradizionali processi di produzione su larga scala, la stampa 3D di binder jet metal consente di produrre migliaia di parti in un unico lavoro a un prezzo e una velocità di produzione in grado di competere con processi come fusione, forgiatura e lavorazione. Questa velocità, combinata con l'uso di polveri MIM a basso costo e una facile post-elaborazione, consente al processo di produrre parti che possono costare fino a 20 volte meno per parte rispetto ad altri processi di stampa 3D e rendono la produzione additiva un'opzione praticabile per la colata, forgiatura e lavorazione. Un'opzione praticabile.
I progressi nella tecnologia di stampa 3D hanno creato nuove opportunità in ogni fase del ciclo di vita della produzione automobilistica, dai prototipi funzionali alla produzione di volumi medi fino all'aftermarket e ai pezzi di ricambio. E la maggior parte di queste opportunità sono legate alla velocità di produzione e alla complessità delle parti, o entrambe. Poiché non è limitata dalla produzione tradizionale, la stampa 3D consente a designer e ingegneri di entrare in un nuovo vasto spazio di progettazione e creare parti sempre più complesse.
Quando le parti ottimizzate devono affrontare la produzione di massa, i materiali, l'efficienza di stampaggio e il prezzo diventano i fattori limitanti che impediscono l'applicazione diffusa della tecnologia di stampa 3D e i vantaggi non possono essere rispecchiati. Lo sviluppo di nuove tecnologie ha abbattuto queste barriere, consentendo la realizzazione di strutture ottimizzate su larga scala e in una forma efficiente ed economica.