John Deere zwraca się w stronę drukowania 3D bardziej wydajnych części silnika

Nowe ciągniki John Deere zjeżdżające z linii produkcyjnej w Mannheim w Niemczech mają po raz pierwszy w firmie: metalową część silnika wydrukowaną w 3D.

Światowemu producentowi sprzętu rolniczego i darniowego nie jest obcy druk 3D, który używa go od ponad 20 lat do tworzenia tysięcy prototypów, narzędzi, przyrządów i osprzętu w swoich fabrykach na całym świecie. Ale wydrukowany w 3D zawór ze stali nierdzewnej w układzie paliwowym ciągnika to nowy kierunek i część tego, co firma nazywa swoją inteligentną strategią przemysłową.

Firma John Deere, wprowadzona na rynek w 2020 roku, ogłosiła swoją wizję szybkiej integracji nowych technologii w trzech głównych obszarach: systemy produkcyjne, ich stos technologiczny i rozwiązania związane z cyklem życia.

Druk 3D jest częścią tej wizji, a ten zawór jest jednym z jej pierwszych owoców. Jest bardziej wydajny niż gdyby był produkowany tradycyjnie. Jest o około 50% tańszy i znacznie mniejszy, zużywając mniej materiału. Ale to tylko zarysowanie, dlaczego firma John Deere zdecydowała się wydrukować tę część w 3D.

Pierwsza z wielu części wydrukowanych w 3D

Nowy termiczny zawór przełączający w najnowszych wersjach ciągników John Deere 6R i 6M to nie tylko innowacyjne zastosowanie coraz bardziej dostępnej technologii druku 3D w metalu, ale także kulminacja około dwóch lat prac badawczo-rozwojowych.

Zaczęło się od wyzwania, jakim było zapewnienie, by ciągniki John Deere działały w niskich temperaturach. Inżynierom powierzono zadanie opracowania zaworu, który utrzymywałby temperaturę paliwa bez wpływu na osiągi silnika.

„Najpierw zaczynasz od tego, co ma robić dana część” — mówi Udo Scheff, dyrektor techniczny ds. małych i średnich ciągników John Deere — „i pracujesz nad optymalizacją obliczeniowej dynamiki płynów oraz symulujesz ją w świecie wirtualnym, a następnie przenosisz to w projekty cyfrowe prototypowego modelu”.

Wyidealizowany model prototypu, który przepuszczał paliwo z największą wydajnością, miał zaokrąglone, gładkie kanały wewnętrzne. Scheff mówi, że funkcję można stworzyć tylko za pomocą druku 3D.

„W dynamice płynów, kiedy masz dwa przecinające się otwory wiertnicze, zawsze masz ostre rogi, jeśli używasz narzędzi do obróbki. Dzięki drukowaniu 3D możesz mieć zaokrąglone rogi, co jest elementem, który przyniósł nam kolejny krok w optymalizacji zaworu”.

Aby sprawdzić, czy część będzie działać zgodnie z oczekiwaniami, inżynierowie John Deere współpracowali z pracownikami zajmującymi się produkcją przyrostową w Niemczech Dodatek GKN (Prognoza 3D), cyfrowego producenta części i materiałów metalowych, w celu dalszej optymalizacji konstrukcji zaworu paliwowego do drukowania 3D w metalu. GKN wydrukował prototypowe zawory ze stali na nowej metalowej drukarce 3D firmy HPHPQ
The Rozwiązanie Metal Jet S100. Ta drukarka wykorzystuje jedną z technologii druku 3D w metalu – jest ich kilka – tzw rozpryskiwanie spoiwa, gdzie proszek metalu jest łączony ze środkiem wiążącym warstwa po warstwie, tworząc część, która jest następnie spiekana w piecu klasy przemysłowej. Następnie część jest obrabiana i montowana.

Termiczny zawór przełączający przeszedł rygorystyczne testy w celu zapewnienia wymaganej jakości rur, która dorównuje metalowi obrabianemu maszynowo lub odlewowi precyzyjnemu. Testy części w terenie również zakończyły się sukcesem.

„Więc to jest punkt, w którym musieliśmy zdecydować, w jaki sposób zamierzamy wyprodukować tę część, aby spełnić właściwości materiału i inne wymagania”, mówi Scheff, który również musiał wziąć pod uwagę napięty termin wykonania tej części, ile kosztowałoby oprzyrządowanie, i jak część pasowałaby do procesu montażu.

„I wtedy zdecydowaliśmy, okej, jeśli ta część wydrukowana w 3D działa w testach, a wytwarzanie addytywne jest opłacalne, to będzie działać również w produkcji”, mówi Scheff.

Tworzenie prototypów z tego samego materiału i metody, które zostaną użyte w końcowej części produkcyjnej, daje inżynierom większą pewność wydajności. „Wybraliśmy proces metal jet firmy HP, ponieważ jest on znacznie szybszy niż inne procesy drukowania 3D w metalu” — dodaje Jochen Müller, globalny kierownik ds. inżynierii cyfrowej w firmie John Deere. „Odkrywamy możliwości dostarczania bardziej wydajnego, niezawodnego i ekologicznego sprzętu, a firma HP zapewniła nam w tym celu doskonałe rozwiązanie”.

Druk 3D w metalu przy wolumenie produkcji

Obecnie ponad 4,000 zaworów jest wysyłanych z GKN do fabryki ciągników John Deere w celu końcowego montażu po cenie za część niższej niż kucie lub frezowanie. Traktory z tą częścią wydrukowaną w 3D są już dosłownie na polu.

Müller mówi, że kolejną zaletą drukowania 3D tej konkretnej części zamiast tradycyjnych metod jest dodatkowa elastyczność procesu produkcyjnego. Ponieważ druk 3D nie wymaga form ani narzędzi, tworzenie prototypów części było szybsze i tańsze, co przyspieszyło proces projektowania. Projekt można modyfikować i ulepszać w dowolnym momencie. Ponadto, jeśli chodzi o części zamienne, nie są potrzebne stałe zapasy. Plik cyfrowy o tej wartości można wysłać do dowolnego producenta zewnętrznego z technologią HP Metal Jet i wyprodukować stosunkowo lokalnie i szybko.

Chociaż pełny cyfrowy spis części do naprawy i części zamiennych do obecnego i starszego sprzętu John Deer to wciąż projekt odległej przyszłości, firma już dostrzega potencjalne korzyści.

„Mamy ogromną organizację zajmującą się częściami zamiennymi, która jest bardzo, bardzo zainteresowana drukiem 3D” — mówi Müller. Już teraz firma zastanawia się, które i ile części zamiennych można przekonwertować na pliki cyfrowe do druku 3D, co wyeliminowałoby magazynowanie. „Zwykle mamy części zamienne w magazynie przez około 20 lat, czasem nawet dłużej, i bardzo trudno jest przewidzieć, co zrobić z dostępnymi zapasami i jak uzupełnić zapasy, jeśli się wyczerpią”.

Poza drukowaniem części zamiennych 3D na żądanie, Müller przewiduje przyszłość, w której John Deere będzie mógł analizować zużyte lub uszkodzone części oraz drukować niestandardowe części 3D, które są wzmocnione do indywidualnych zastosowań.

Druk 3D sprawdzony przez prototypowanie

Firma John Deere, podobnie jak wiele firm produkcyjnych i motoryzacyjnych, rozpoczęła drukowanie 3D w swoich laboratoriach inżynierskich od polimerowych prototypów części i koncepcji pojazdów.

Firma szybko nauczyła się, że posiadanie fizycznych modeli do obsługi, dopasowania i porównania z istniejącymi częściami jest nieocenione na etapie projektowania. „Ludzie na linii montażowej mogą sprawdzić, czy część koncepcyjna jest wykonalna z punktu widzenia produkcji”, zauważa Scheff.

Te prototypy są bardziej wydajne i znacznie szybsze niż obróbka skrawaniem lub wycinanie drewna, co było jedną z technik stosowanych przed rozpoczęciem drukowania 3D przez firmę John Deere w 2000 roku.

„Nasze wewnętrzne możliwości drukowania 3D pozwalają naszym projektantom łatwo testować swoje pomysły i weryfikować ich koncepcje na bardzo wczesnym etapie procesu rozwoju”, dodaje Müller. „To sposób myślenia typu„ wczesna porażka ”. Chcemy przedstawić wszystkie koncepcje jako modele fizyczne i zebrać różne grupy, aby opracować właściwą koncepcję. Tak więc drukowanie 3D i wytwarzanie addytywne, ogólnie rzecz biorąc, umożliwia nam to”.

Termiczny zawór rozdzielający to tylko pierwsza z wielu części do traktorów, które zostaną wydrukowane w 3D.

Fabryka drukarek 3D Przyrządy i narzędzia

Drukarki 3D znajdują się w prawie każdej fabryce John Deere na całym świecie, wytwarzając osprzęt i narzędzia fabryczne 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Scheff twierdzi, że nadal istnieje tradycyjna produkcja, ponieważ druk 3D nie może zastąpić wszystkiego, ale jeśli chodzi o części o unikalnych konturach lub specjalnym oprzyrządowaniu, drukowanie 3D jest metodą z wyboru.

Osprzęt fabryczny jest prawie zawsze unikalny dla linii fabrycznej i kosztowny w obróbce w małych ilościach. Aby ułatwić drukowanie tych części w 3D, firma John Deere stworzyła globalną sieć drukarek 3D z różnymi technologiami druku w różnych lokalizacjach, a większe fabryki zaspokajają potrzeby mniejszych fabryk.

W każdej fabryce John Deere dział inżynierii produkcji, którego zadaniem jest znalezienie najbardziej wydajnych procesów produkcyjnych, proponuje nowe narzędzia i określa, czy najlepiej jest je wykonać przy użyciu technologii addytywnych, czy tradycyjnych. Następnie grupa inżynierii cyfrowej Müllera opracowuje modele cyfrowe, które są wysyłane z powrotem do fabryki w celu wydrukowania 3D lub zlecania ich lokalnym usługom druku 3D.

Od prototypów po końcowe komponenty, narzędzia i części zamienne, druk 3D jest jednym z głównych atutów John Deere w dążeniu do bycia bardziej cyfrową i sprawną organizacją, mówi Müller. Umożliwia inżynierom szybsze opracowywanie koncepcji od pomysłu do części fizycznej poprzez szybkie prototypowanie części, a teraz, dzięki najnowszemu projektowi, szybsze i tańsze wprowadzanie na rynek bardziej wydajnych części silnika.