Zijn 3D-geprinte auto's mogelijk? Nieuwe ontwikkelingen werpen licht op een antwoord

3D-printen heeft de verbeelding van een reeks industrieën over de hele wereld gevangen. 3D-printen, ook wel bekend als additieve productie, wordt terecht een van de meest bepalende technologieën van onze tijd genoemd. In tegenstelling tot traditionele productietechnologieën is het een methode waarmee 3D-objecten van bijna elk soort in lagen kunnen worden gebouwd. Om dit te bereiken, maakt de technologie gebruik van computerondersteund ontwerp (CAD) en een breed scala aan materialen, zoals metaal, plastic, beton of papier.

De veelzijdigheid die het biedt aan fabrikanten die wereldwijd werken om hun productiestromen te optimaliseren qua kosten en tijd, maakt het een uitstekende kandidaat voor exponentiële adoptie op korte termijn. Volgens schattingen zou de wereldwijde omvang van de markt voor 3D-printproducten en -diensten kunnen groeien van Van 12.6 miljard dollar in 2020 tot 37.2 miljard dollar in 2026. Tegen 2030 zou het aantal apparaten voor additieve productie en 3D-printen wereldwijd 2.8 miljoen kunnen bedragen.

Een dergelijke sterke groei zou 3D-printen praktisch alomtegenwoordig maken. Daarom vraagt ​​iedereen zich af: kan 3D-printen geschikt worden voor de autosector, een industrie waar productieprecisie enorm wordt gewaardeerd en gekoesterd? Om het directer te zeggen, is het mogelijk om auto's te 3D-printen? We bespreken de mogelijkheden in de komende segmenten.

Klik hier om te ontdekken waarom 3D-printen een potentiële markt van $ 500 miljard is.

Doorbraak van Tohoku University in multi-materiaal 3D-printtechniek

Het Institute for Materials Research and New Industry Creation Hatchery Center van de universiteit heeft iets baanbrekends bereikt. De onderzoekers demonstreerde het proces voor het creëren van een lichtgewicht maar duurzaam auto-onderdeel door middel van een 3D-printtechniek met meerdere materialen. 

Bron: Tohuku Universiteit

Hier moeten we het fenomeen van multi-materiaal 3D-printtechnieken nader bekijken. Multi-materiaalstructuren combineren, zoals de naam al doet vermoeden, strategisch verschillende materialen voor optimale prestaties van een component. Nog belangrijker is dat ze worden gecreëerd door middel van 3D-printen.

Bij het uitleggen van de opkomst van deze techniek zei universitair hoofddocent Kenta Yamanaka van de Tohoku Universiteit het volgende:

“Multimaterialen zijn een hot topic op het gebied van additieve productie vanwege de procesflexibiliteit.”

Hij noemde echter ook de beperkingen die de technologie met zich meebrengt. Volgens hem:

“Bij bepaalde metaalcombinaties, zoals staal en aluminium, kunnen brosse intermetallische verbindingen worden gevormd op de grensvlakken van verschillende metalen. Dus hoewel het materiaal nu lichter is, wordt het uiteindelijk brosser.”

Het meest relevante aspect van dit onderzoek was dat de wetenschappers probeerden dit knelpunt op te lossen door een staal-aluminiumlegering te produceren die – ondanks het lichte gewicht – niet ten koste ging van de sterkte. 

Het doel is bereikt door gebruik te maken van Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), een van de belangrijkste 3D-metaalprinttechnologieën die gebruikmaakt van een laser om metaalpoeders selectief te smelten. De onderzoekers ontdekten dat het verhogen van de scansnelheid van de laser de vorming van broze intermetallische verbindingen (zoals Al5Fe2 en Al13Fe4) aanzienlijk kon onderdrukken. Ze stelden voor dat deze hogere scansnelheid zou kunnen leiden tot iets dat non-equilibrium solidification wordt genoemd, wat de verdeling van opgeloste stoffen minimaliseert, wat resulteert in zwakke plekken in het materiaal. ultieme Het resultaat was een product met sterke hechtingsinterfaces. 

Bij het uitwerken van de waarde van het begrijpen van dit in-situ legeringsmechanisme zei de speciaal aangestelde assistent-professor Seungkyun Yim van de Tohoku Universiteit:

“Met andere woorden, je kunt niet zomaar twee metalen op elkaar plakken en verwachten dat ze zonder plan blijven plakken.”

Hoewel de bevindingen van de onderzoekers van de Tohoku University technisch en hoogdravend klinken, hebben ze grote implicaties voor het toegepaste veld van de automobielproductie. Samenvattend kunnen de onderzoekers een prototype maken van 's werelds eerste full-scale automotive multi-material component (ophangingstoren) met een op maat gemaakte geometrie. In de toekomst zouden de bevindingen mogelijk van invloed kunnen zijn op andere metaalcombinaties waar vergelijkbare problemen met hechting verbetering behoeven. 

Hoewel dit onderzoek nieuwe mogelijkheden biedt voor de automobielindustrie, is het gebruik van 3D-printen op dit gebied niet nieuw.

Klik hier en ontdek hoe 3D-printen steeds meer zijn intrede doet in de toekomst van de productie.

3D-printen voor snellere prototypes en opnieuw ontworpen componenten of onderdelen

Volgens experts uit de industrie 3D-printen is al gebruikt om prototypecreatie te versnellen, geselecteerde onderdelen en componenten opnieuw te ontwerpen en ze zelfs te vervangen. Maar met de tijd is het gebruik van 3D-printen verder gegaan dan het oorspronkelijke gebied om prototypes te produceren en op maat gemaakte 3D-geprinte afwerkingsstukken in kleine volumes te produceren in sommige huidige voertuigen. 

Volgens Robert Wilig, uitvoerend directeur en CEO, EMS, voorheen Society of Manufacturing Engineers:

"Nu de auto-industrie zich steeds meer richt op lichtgewicht hybride of zelfs geëlektrificeerde voertuigplatforms, speelt additieve productie daar een belangrijke rol in, omdat het echt efficiënte manieren biedt om efficiënte ontwerpen te creëren." 

In plaats van drie onderdelen, wat voorheen misschien de vereiste was, maakt 3D-printen het nu mogelijk om het ontwerp tot één geheel te optimaliseren. Zo wordt het materiaal alleen op de juiste plaats geplaatst, waardoor het lichter, sterker en flexibeler wordt.

Volgens Dallas Martin, ingenieur in additieve productie bij Toyota Motor Noord-Amerika:

“De integratie van 3D-printen in de productie van gereedschappen en mallen heeft de efficiëntie en flexibiliteit van de productielijn verbeterd.”

A beoordeling van het onderzoek tot nu toe op dit gebied is gedaan, suggereert dat 3D-printen de auto-industrie zou kunnen revolutioneren door ontwerpen flexibeler te maken, prototypen sneller te maken en afvalreductie efficiënter. Dit zou bereikt kunnen worden door de productie licht te houden. De onderzoekers noemden deze redenen als drijfveren achter de toenemende investeringen van autofabrikanten in AM-technieken.

Hoewel we in de komende segmenten een aantal baanbrekende bedrijven zullen verkennen die actief zijn op dit gebied, hebben onderzoekers meer kansen opgemerkt voor AM in duurzame en groene oplossingen, met name in de ontwikkeling van batterijsystemen en elektrische auto's. 3D-printen zou nuttig kunnen blijken bij het genereren van hittebestendige batterijbevestigingen die de warmteafvoer en batterijkoeling verbeteren. Het wordt ook gezien als een veelbelovende oplossing voor de productie van vaste lithiumbatterijen.

In de komende segmenten kijken we naar use cases waarin bekende autofabrikanten effectieve oplossingen ontwikkelen.

1. Toyota (TM -0.07%)

In juli 2024 kwamen er berichten naar buiten dat Toyota Hyper-F conceptauto's met 3D-geprinte onderdelen introduceerde. Een veteraan op dit gebied, Toyota, onthulde via TCD Asia (Toyota Customizing & Development) - al betrokken bij de productie van voertuigaccessoires voor verschillende Toyota-modellen - een high-performance SUV-concept met 3D-geprinte onderdelen en geavanceerde materialen. Dit was alleen mogelijk door samenwerkingen met de Japanse bedrijven Mitsui Chemicals en ARRK Corporation. 

Rapporten suggereren dat Toyota's Hyper-F conceptwagen is gebaseerd op de Toyota Fortuner, ontwikkeld door TCD Asia. Door gebruik te maken van Mitsui Chemicals' geavanceerde technische expertise, gebruikte Toyota 3D-printen met pellets om onderdelen te produceren van plastic korrels tegen lage kosten, wat de ontwikkelingstijden en investeringskosten verkortte.

Het bedrijf beweerde dat deze 3D-geprinte onderdelen bijzonder stabiel zijn en klaar om te worden geprint om grote onderdelen te vormen. Voor de Toyota Hyper-F conceptauto sieren 3D-geprinte componenten de panelen van de luchtkanalen in de motorkap.

Eerder werd er ook al gemeld dat Toyota had samengewerkt met Soliseren, een partner in wereldwijde productontwikkelingstechniek en een leverancier van technische diensten, om print 3D reserve auto-onderdelen op aanvraag. Meer specifiek gebruikte Toyota multi-jet fusion 3D-printing om standaardonderdelen te maken voordat ze werden verkocht naast traditioneel geproduceerde reserveonderdelen. Een andere wereldwijde techgigant, HP, leverde de printers aan Toyota.

Nobuki Okado, MD van HP Japan, zei het volgende over de interesse van de automobielindustrie in het benutten van 3D-printen:

“Elke dag zien we een groeiende tractie en meer volwassen 3D-geprinte toepassingen in veel verschillende industrieën wereldwijd, met name in de automobielindustrie. Toonaangevende autofabrikanten zoals Toyota Motor Corporation laten de kracht van 3D-printen zien voor flexibel ontwerp, snelle marktintroductie en duurzame impact.”

Naast HP heeft Toyota de oplossingen van verschillende andere bedrijven gebruikt om hun 3D-auto-aanbod te verfijnen en te verbeteren. Zo heeft het bedrijf samengewerkt met Materialise om een ​​ultralichte 3D-geprinte autostoel te ontwikkelen. Het heeft geïnvesteerd in de R&D van de technologie door samen met DSM Somos Taurus te ontwikkelen, een materiaal waarvan gezegd wordt dat het ideaal is voor autotoepassingen vanwege de supereffectieve warmteafbuigingstemperatuur van 95°C. Het bedrijf heeft de 3D-printvleugel naar zich vernoemd gekregen aan de Universiteit van Waterloo. 

In mei 2024, TOyota Motor Corporation publiceerde zijn FY 2024-rapport voor de periode van 1 april 2023 tot en met 31 maart 2024. Het bedrijf registreerde een omzet van 45,095,325 miljoen yen en een bedrijfsresultaat van 5,352,934 miljoen yen. 

2. General Motors (GM + 0.46%)

In 2022, misschien de bekendste speler in de automobielindustrie ter wereld zou verder zijn gegaan dan prototypes en onderdelen in kleine aantallen bij het gebruik van 3D-printen of additive manufacturing. De grootste autofabrikant in de Verenigde Staten print op maat gemaakte gereedschappen voor fabrieksoperators, waardoor hun werk veiliger en productiever wordt. 

De kennismaking van General Motors met 3D-printen dateert uit 1989, toen het bedrijf een vroege 3D-printer installeerde, een stereolithografiemachine met serienummer "3", in 1989 op de campus van het Warren (Michigan) Tech Center in de buurt van Detroit.

Volgens Ali Shabbir, engineering group manager bij GM voor de industrialisatie van additieve productie:

"Toen de technologie, de materiële sterktes en de beschikbaarheid van metalen echt op gang kwamen, zeiden de leidinggevenden: 'Weet je, dit is iets waar we echt aandacht aan moeten besteden, dus laten we een klein team op dit gebied zetten om echt te onderzoeken wat we kunnen doen. klaar zijn. ''

In 2019 opende GM zijn Additive Innovation Lab (AIL), een 4,000 m² grote faciliteit in het Cole Engineering Center in het Global Technical Center. 

Volgens Ali Shabbir was dit lab het kroonjuweel van GM's additief-onderwijsprogramma. Het was een doe-het-zelf-makerruimte en leercentrum waar werknemers konden leren hoe ze additieve builds konden ontwerpen en instellen en onderdelen konden nabewerken.

Van de vele voorbeelden van GM die 3D-printen of additieve productie succesvol inzetten in de auto-industrie, springen er een paar in het oog. Zo printte het bedrijf in 2020 3% van de onderdelen voor zijn niet-operationele prototype (niet het productievoertuig) van de eerste 75 Chevy C2020 Corvette in 8D, waardoor ingenieurs het uiteindelijke assemblageproces konden bestuderen en productieproblemen konden identificeren.

In dat jaar produceerde het bedrijf raceseizoenadditieven voor de raceteams Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro en Silverado. 

In 2021 heeft het bedrijf via zijn partnerschap met GKN Additive Forecast 3D 3 flexibele 'spoiler closeout seals' in 60,000D geprint" om 30,000 Chevrolet Tahoe SUV's in vijf weken te voltooien. De traditionele productiemethode – spuitgieten – had veel langer kunnen duren, tot wel 10 weken. 

GM verwerkte ook 3D-geprinte onderdelen, waaronder twee HVAC-kanalen en een elektrische kabelboomhouder, in Cadillac CT4-V en CT5-V Blackwing-voertuigen. In oktober 2022 kondigde het de meest ambitieuze tot nu toe aan: de $ 300,000 kostende Cadillac CELESTIQ EV, die uitgebreid gebruik zou maken van additieve metaalproductie voor maatwerk op bestelling.

Volgens zijn jaarverslag voor het begrotingsjaar dat eindigde op 31 december 2023GM rapporteerde een omzet van $ 171.8 miljard, een nettowinst toe te rekenen aan aandeelhouders van $ 10.1 miljard en een EBIT-gecorrigeerd bedrag van $ 12.4 miljard.

3. Daimler-vrachtwagen

Daimler Truck Holding AG is een van de grootste fabrikanten van bedrijfsvoertuigen ter wereld. Met meer dan 40 productielocaties wereldwijd en meer dan 100,000 werknemers biedt het lichte, middelzware en zware vrachtwagens, stads- en intercitybussen, touringcars en buschassis.

Het bedrijf beweert enorm te hebben geprofiteerd van zijn innovatieve 3D-printtechnologie. De bijna 30 jaar ervaring in het bouwen van 3D-geprinte prototypes is nu is overgedragen tot serieproductie met hoge kwaliteitsnormen. Met behulp van 3D-printing kan de busdivisie van Daimler snel, flexibel, economisch en milieuvriendelijk reageren op urgente klantvereisten, waaronder de productie van speciale componenten zoals afdekkingen, handgrepen en een divers aanbod van individuele beugels.

Daimler's “Centrum voor 3D-printen" begon in 300,000 met het gedetailleerd onderzoeken van meer dan 3 huidige busonderdelen op hun geschiktheid als 2019D-geprinte onderdelen. Het bedrijf heeft een volwaardige Vleugel Additive Manufacturing Solutions Dat heeft geleid tot een reductie van 80% in de inkooptijd, meer dan 7,000 potentiële 3D-printcomponenten geïdentificeerd en een portfolio opgeleverd van meer dan 400 goedgekeurde reserveonderdelen die in 3D kunnen worden geprint. 

Volgens Ralf Anderhofstadt, hoofd van het competentiecentrum voor additieve productie, drukkerij en media bij Daimler Buses, zijn de activiteiten van het bedrijf op het gebied van additieve productie, het “immense potentieel van de technologie langs de gehele waardeketen, stap voor stap duidelijk geworden." Ralf ziet de kansen voor Daimler en zijn klanten uiteenlopen van besparingspotentieel tot nieuwe bedrijfsmodellen. 

In 2023 rapporteerde Daimler Truck een omzet van 55,890 miljard euro, een aanzienlijke stijging ten opzichte van het cijfer van 2022 miljoen euro in 50,945. 

De toekomst vooruitzichten

De mening is nog steeds verdeeld over de vraag of 3D-printen in de toekomst de autoproductie volledig zal overnemen. Volgens Robert Willig, executive director, CEO, SME, voorheen Society of Manufacturing Engineers, is er misschien geen 'gigantische fabriek met iets anders dan printers.'

Volgens Luke Czinger, medeoprichter en COO van Divergent Technologies, werkt hij momenteel samen met zes autofabrikanten, waaronder Mercedes-Benz, Aston Martin, Bugatti en McLaren. Hij stelt dat 3D-printen, met name ophangings- en verstevigingscomponenten, en de eigenschappen van 3D-geprinte materialen de prestaties van elektrische voertuigen kunnen verbeteren.

“Het EV-verhaal is overtuigend voor het bereik. Als je 20% tot 30% massa op je chassisstructuur kunt besparen, kun je het bereik vergroten of de verpakkingsgrootte verkleinen. Meestal is dat voor deze goedkopere EV's in ieder geval echt zinvol voor de winstgevendheid van die business. Dan heb je ook nog het duurzaamheidsgedeelte. Als je een lichter voertuig maakt, zul je minder bandenslijtage hebben, maar je zult ook daadwerkelijk minder aluminium en minder CO2 gebruiken in het productieproces.”

– Czinger

Onderzoekers zijn van mening dat de kracht van 3D-printen bij de productie van auto's ligt in het feit dat het gebruik van overtollig materiaal en dus onnodig afval kan worden geëlimineerd. Ook is er geen behoefte aan lange transportroutes en opslagruimtes, waardoor de impact op het milieu aanzienlijk wordt verminderd.

Samenvattend is het een veelbelovende duurzame productiemethode. Het zou echter een paar knelpunten moeten aanpakken om echt succesvol te worden. Het zou bijvoorbeeld een goede grip moeten hebben op de controle van de productkwaliteit. Het zou de vereiste van overmatige nabewerking moeten elimineren, het productvolume moeten verbeteren en het gebrek aan standaarden moeten aanpakken.

Voor de succesvolle toepassing van 3D-printen in de automobielindustrie zijn gestandaardiseerde processen en materialen nodig nodigHet ontbreken van universele standaarden kan de interoperabiliteit tussen verschillende 3D-printers en software belemmeren, waardoor het moeilijk wordt om dezelfde prestaties te behalen, zelfs onder identieke procesparameters.

Klik hier voor een lijst met de beste aandelen in additieve productie en 3D-printen.