John Deere se obrne na 3D tiskanje učinkovitejših delov motorja

Novi traktorji John Deere, ki prihajajo s proizvodne linije v Mannheimu v Nemčiji, imajo prvič v podjetju: kovinski 3D-natisnjen del motorja.

Svetovnemu proizvajalcu kmetijske opreme in opreme za travo 3D-tiskanje ni neznanka, saj ga uporablja že več kot 20 let za izdelavo na tisoče prototipov, orodij, šablon in napeljav v svojih globalnih tovarnah. Toda 3D-natisnjen ventil iz nerjavečega jekla v sistemu za gorivo traktorja je nova usmeritev in del tega, kar podjetje imenuje njegova pametna industrijska strategija.

Podjetje John Deere, ki je bilo predstavljeno leta 2020, je objavilo svojo vizijo hitre integracije novih tehnologij na treh osrednjih področjih: proizvodni sistemi, njihov tehnološki sklop in rešitve življenjskega cikla.

3D-tiskanje je del te vizije in ta ventil je eden njenih prvih sadov. Je bolj učinkovit, kot če bi bil tradicionalno izdelan. Je približno 50 % cenejši in bistveno manjši ter porabi manj materiala. Toda to je samo praskanje po površini, zakaj se je John Deere odločil za 3D-tiskanje tega dela.

Prvi izmed mnogih 3D natisnjenih delov

Novi toplotni preklopni ventil na najnovejših različicah traktorjev John Deere 6R in 6M ni le inovativna uporaba vedno bolj dostopne tehnologije 3D tiskanja kovin, je vrhunec približno dveh let raziskav in razvoja.

Začelo se je z izzivom zagotoviti, da bodo traktorji John Deere delovali v hladnih okoljih. Inženirji so imeli nalogo razviti ventil, ki bi lahko vzdrževal temperaturo goriva, ne da bi vplival na zmogljivost motorja.

»Najprej začnete s tem, kar želite, da del naredi,« pravi Udo Scheff, direktor inženiringa za male in srednje velike traktorje John Deere, »in se lotite optimizacije dinamike računalniške tekočine ter jo simulirate v virtualni svet, nato to prenesete v digitalne modele za prototipni model.«

Idealizirani prototipni model, tisti, ki je omogočal pretok goriva z največjo učinkovitostjo, je imel zaobljene, gladke notranje kanale. Funkcijo, pravi Scheff, je mogoče ustvariti samo s 3D tiskanjem.

»V dinamiki tekočin, ko imate dve vrtini, ki se sekata, imate vedno ostre vogale, če uporabljate obdelovalna orodja. S 3D-tiskanjem lahko dobite okrogle vogale, kar je element, ki nam je prinesel še en korak naprej pri optimizaciji ventila.«

Da bi preizkusili, ali bo del deloval po pričakovanjih, so inženirji John Deere sodelovali z osebjem za proizvodnjo aditivov v nemškem Dodatek GKN (napoved 3D), digitalnega proizvajalca kovinskih delov in materialov, za nadaljnjo optimizacijo zasnove ventila za gorivo za 3D-tiskanje kovin. GKN je na novem HP-jevem kovinskem 3D-tiskalniku natisnil prototip ventilov iz jeklaHPQ
je Rešitev Metal Jet S100. Ta tiskalnik uporablja eno od tehnologij 3D tiskanja kovin – več jih je – imenovanih brizganje veziva, kjer je kovinski prah spojen skupaj z vezivnim sredstvom plast za plastjo, da tvori del, ki se nato sintra v industrijski pečici. Nato se del strojno obdela in sestavi.

Termični preklopni ventil je bil podvržen strogemu testiranju, da bi zagotovili zahtevano kakovost cevi, ki je enaka strojno obdelani ali vložni litvi. Tudi terensko testiranje dela je bilo uspešno.

»Torej je to točka, kjer smo se morali odločiti, kako bomo izdelali ta del, da bo izpolnjeval lastnosti materiala in druge zahteve,« pravi Scheff, ki je moral upoštevati tudi svoj kratek rok za ta del, koliko bo stalo orodje, in kako bi se del ujemal s potekom dela sestavljanja.

»Takrat smo se odločili, v redu, če ta 3D-natisnjen del deluje na testih in je aditivna proizvodnja stroškovno učinkovita, potem bo deloval tudi v proizvodnji,« pravi Scheff.

Ustvarjanje prototipov v istem materialu in metodi, ki bo uporabljena za končni proizvodni del, daje inženirjem večja zagotovila o uspešnosti. »HP-jev postopek s kovinskim curkom smo izbrali, ker je veliko hitrejši od drugih postopkov 3D-tiskanja s kovinami,« dodaja Jochen Müller, globalni vodja digitalnega inženiringa John Deere. "Odkrivamo priložnosti za zagotavljanje učinkovitejše, zanesljivejše in trajnostne opreme in HP nam je zagotovil popolno rešitev za to."

Kovinsko 3D tiskanje v proizvodnih količinah

Trenutno se več kot 4,000 ventilov pošilja iz GKN v tovarno traktorjev John Deere za končno montažo po ceni na del, ki je nižja od cene za kovanje ali rezkanje. Traktorji s tem 3D-natisnjenim delom so že na polju, dobesedno.

Müller pravi, da je še ena prednost 3D-tiskanja tega posebnega dela namesto uporabe tradicionalnih metod dodana okretnost v proizvodnem procesu. Ker 3D-tiskanje ne zahteva kalupov ali orodij, je bilo izdelavo prototipov delov hitreje in ceneje, kar je pospešilo proces oblikovanja. Dizajn je mogoče kadar koli spremeniti in izboljšati. Poleg tega, ko gre za nadomestne dele, stalne zaloge niso potrebne. Digitalno datoteko te vrednosti je mogoče poslati kateremu koli tretjemu proizvajalcu s tehnologijo HP Metal Jet in proizvesti razmeroma lokalno in hitro.

Čeprav je popoln digitalni popis popravil in nadomestnih delov za sedanjo in zastarelo opremo John Deer še projekt oddaljene prihodnosti, podjetje že vidi potencialne koristi.

»Imamo ogromno organizacijo za rezervne dele, ki jo zelo, zelo zanima 3D-tiskanje,« pravi Müller. Podjetje že razmišlja o tem, katere in koliko rezervnih delov bi lahko pretvorili v digitalne datoteke, ki jih je mogoče natisniti 3D, kar bi odpravilo skladiščenje. "Običajno imamo rezervne dele na zalogi za približno 20 let, včasih celo dlje, in zelo težko je predvideti, kaj storiti z razpoložljivo zalogo in kako dopolniti zalogo, če vam zmanjka."

Poleg 3D-tiskanja rezervnih delov na zahtevo Müller predvideva prihodnost, v kateri lahko John Deere analizira obrabljene ali polomljene dele in 3D-tiska dele po meri, ki so ojačani za posamezne primere uporabe.

3D tiskanje dokazano s prototipiranjem

John Deere je tako kot mnoga proizvodna in avtomobilska podjetja začel 3D-tiskanje v svojem inženirskem laboratoriju s polimernimi oblikovalskimi prototipi delov in konceptov vozil.

Podjetje se je hitro naučilo, da so fizični modeli za obdelavo, prileganje in primerjavo z obstoječimi deli neprecenljivi v fazi načrtovanja. »Ljudje s tekočega traku lahko preverijo, ali je vaš konceptni del izvedljiv s proizvodnega vidika,« ugotavlja Scheff.

Ti prototipi so učinkovitejši in znatno hitrejši od strojne obdelave ali izrezovanja lesa, kar je bila ena od tehnik, ki se je uporabljala, preden je John Deere leta 3 začel 2000D-tiskanje.

»Naše notranje zmogljivosti 3D-tiskanja omogočajo našim oblikovalcem, da preprosto preizkusijo svoje zamisli in preverijo svoje koncepte v zelo zgodnji fazi razvojnega procesa,« dodaja Müller. »Gre za miselnost tipa 'zgodnji neuspeh'. Vse koncepte želimo predstaviti kot fizične modele in imeti različne skupine skupaj, da bi prišli do pravega koncepta. Torej nam 3D-tiskanje in aditivna proizvodnja na splošno omogočata, da to storimo.«

Toplotni preklopni ventil je le prvi od številnih 3D-natisnjenih traktorskih delov, ki prihajajo.

Šablone in orodja za tovarno 3D tiskanja

3D-tiskalniki so na voljo v skoraj vsaki tovarni John Deere po vsem svetu, ki izdelujejo napeljave in tovarniška orodja 24/7. Scheff pravi, da še vedno poteka tradicionalna proizvodnja, ker 3D-tiskanje ne more nadomestiti vsega, a ko gre za dele z edinstvenimi konturami ali posebnim orodjem, je 3D-tiskanje metoda izbire.

Tovarniška oprema je skoraj vedno edinstvena za tovarniško linijo in draga za strojno obdelavo v majhnih količinah. Da bi olajšal 3D tiskanje teh delov, je John Deere vzpostavil globalno mrežo 3D tiskalnikov z različnimi tehnologijami tiskalnikov na različnih lokacijah in večje tovarne služijo potrebam manjših tovarn.

V vsaki tovarni John Deere oddelek za proizvodni inženiring, ki je zadolžen za iskanje najučinkovitejših proizvodnih procesov, predlaga nova orodja in ugotavlja, ali so najboljša izdelava z aditivno ali tradicionalno tehnologijo. Nato Müllerjeva skupina za digitalni inženiring razvije digitalne modele, ki se pošljejo nazaj v tovarno za 3D-tiskanje ali oddajo zunanjim izvajalcem lokalne storitve 3D-tiskanja.

Od prototipov do končnih sestavnih delov, orodij in rezervnih delov je 3D-tiskanje eno glavnih sredstev družbe John Deere pri prizadevanju za bolj digitalno in agilno organizacijo, pravi Müller. Inženirjem omogoča hitrejši razvoj konceptov od ideje do fizičnega dela s pomočjo hitre izdelave prototipov delov in zdaj, s svojim najnovejšim projektom, hitreje in ceneje pripelje na trg učinkovitejše dele motorja.