Cách in 3D làm thay đổi ngành xe hơi

In 3D có thể thêm yếu tố hiệu suất cần thiết để đáp ứng nhu cầu và quy định sản xuất.

“Khoảng một nửa số thép trong xe hơi được sử dụng ngày nay không tồn tại 15 đến 20 năm trước đây”, Dave Paratore, chủ tịch và giám đốc điều hành của NanoSteel cho biết. Thép cường độ cao mới, cùng với vật liệu tổng hợp và chất kết dính, đang giúp giảm trọng lượng và tăng độ bền cho các loại xe hiện đại. Ngày nay, in 3D đang thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô và làm cho xe bền hơn hơn và nhẹ hơn.

Vào năm 2014, Local Motors đã in 3D chiếc xe đầu tiên từ hỗn hợp sợi carbon ABS (tương ứng khoảng 80/20) được gọi là Strati. Ngày nay, công ty có ba mô hình và một tàu con thoi chạy bằng điện tự động tên là Olli.Ngoài ra, Honda đã phát hành một phiên bản mới của Micro-Commuter vào tháng 10 tại CEATEC 2016 tại Nhật Bản. Một chỗ ngồi đơn với khoảng cách tới bánh lái dài 50 dặm, thân máy và phần lớn bảng điều khiển trên Micro-Commuter được in 3D. Theo SmarTech, tạo mẫu chỉ thâm nhập vào mẫu thử ô tô từ 15% đến 20%.

Local Motors in 3D một chiếc xe hơi, Strati tại IMTS năm ngoái. Năm nay họ đã trở lại với nhiều mô hình: Xe đua (Rally Righter), một chiếc Cruiser Beach (Swim), và xe đưa đón tự lái (Olli).

Những động thái như vậy chắc chắn sẽ giúp tăng giá trị của thị trường này. Trong một báo cáo mới, SmarTech Publishing nói rằng doanh thu trong thị trường ô tô in 3D sẽ đạt 600 triệu USD vào cuối năm nay. Ước tính nó sẽ là 2,3 tỷ đô la doanh thu vào năm 2021. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều người cho rằng việc in 3D xe hơi chỉ là cường điệu. Trong số các vấn đề họ chỉ ra là tốc độ trong sản xuất, điều này tất nhiên là quan trọng đối với ngành công nghiệp ô tô. Đúng vậy: in 3D không được biết đến với tốc độ nhanh. Tuy nhiên, vào tháng 12 năm 2014, Ford đã bắt đầu thử nghiệm một phiên bản tiền phát hành của sản xuất giao diện lỏng liên tục (CLIP) do Carbon 3D cung cấp.

Quy trình CLIP tương tự như phép chiếu sáng kỹ thuật số (DLP). Tuy nhiên, thùng chứa DLP vat chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó. Ngược lại, thùng chứa của Carbon 3D cho phép ánh sáng và oxy đi qua bình chứa (như ống kính tiếp xúc). Điều này hỗ trợ trong quá trình kiên cố hóa trong khi giảm thời gian xây dựng. Theo kết quả của phương pháp này, Carbon 3D tuyên bố rằng nó có thể in nhanh gấp 25 đến 100 lần so với phương pháp in 3D thông thường.

Nhưng in 3D có thể tiến xa hơn ngoài việc tạo mẫu ngay bây giờ không? “In 3D cho các bộ phận sản xuất hàng loạt có thể là một thách thức”, Lindsay Lewis, quản lý tài khoản tại Synergeering cho biết. “Tôi cảm thấy in 3D sẽ vẫn chủ yếu có giá trị cho sản lượng thấp hơn. Điều này có nghĩa là nó phù hợp với xe cao cấp hoặc xe quân sự. Ngoài ra, có một xu hướng mới trong ngành công nghiệp ô tô để tái sản xuất. Điều này là để giảm hàng tồn kho hoặc tạo ra các bộ phận mà OEM có thể không sản xuất hoặc lưu trữ được nữa. Thông thường, tái sản xuất sẽ được sử dung cho các loại xe cũ, 15 đến 20 năm.

“Nói chung, bạn phải cân nhắc giá trị,” Lewis nói thêm. “Bạn phải tự đặt câu hỏi: Bạn sẽ làm bao nhiêu chi tiết và chi phí dụng cụ so với in 3D là bao nhiêu? Điểm mấu chốt là chi phí và tốc độ.”

Hướng tới in 3D

Ron Clemons, giám đốc phát triển kinh doanh của Stratasys Direct Manufacturing cho biết: “Nhiều công ty đang áp dụng in 3D cho vật dụng gá lắp và vật dụng thông dụng” . “Các vật dụng in 3D có thể làm giảm chi phí, cung cấp các công cụ nhẹ hơn và gọn nhẹ hơn, và hơn thế nữa. Bên cạnh đó, nó đã giúp giảm chi phí lên đến 60%. Công cụ in 3D cũng cho phép các nhóm thiết kế tiết kiệm thời gian vì chúng có thể đáp ứng nhanh hơn với khả năng tạo ra các thành phần tùy chỉnh một lần.”

Các công cụ gọn nhẹ, tiện dụng có thể tăng độ lặp lại. Họ cũng có thể giúp các lĩnh vực ô tô đối phó với các quy định tăng lên. Tiền phạt lớn từ nền kinh tế nhiên liệu trung bình của công ty ( CAFE) Đang dần tăng dặm cho mỗi gallon trên hạm đội của công ty. Nhu cầu về an toàn cũng tăng lên. Ngày nay, sức mạnh rollover gấp bốn lần tổng trọng lượng xe. Tối ưu hóa độ bền tối đa với trọng lượng tối thiểu và vật liệu là có thể với một quá trình gọi là tối ưu hóa địa hình (TO), có sẵn trong nhiều gói CAD. TO hầu như không thể sản xuất với các phương pháp truyền thống, nhưng in 3D có khả năng xử lý hình học phức tạp trong một quy trình xử lý chất thải tối thiểu với các vật liệu nhẹ.

Học sinh thiết kế chiếc taxi theo kiểu một máy xúc đã giành chiến thắng một cuộc thi thiết kế bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge. Mô hình này được in 3D  kích thước đầy đủ tại 2017 CONEXPO-CON. Tối ưu hóa địa hình là một trong những tính năng thiết kế giúp học sinh đạt được chiến thắng.

TO chỉ là một lợi ích được cung cấp bởi quy trình in 3D. Một ưu điểm khác là các bộ phận lắp ráp có thể được kết hợp thành một sản phẩm in duy nhất. Điều này có thể giảm thời gian lắp ráp và tạo ra một bộ phận chất lượng cao hơn. Đối với nội thất ô tô phức tạp, Hệ thống 3D đã sử dụng một không gian xây dựng lớn – với quy trình thiêu kết laser chọn lọc — có thể cho phép in 3D nhanh, liền mạch các bộ phận bên trong lớn và / hoặc phức tạp. Ngoài ra, lựa chọn vật liệu có thể mang lại cảm giác và kết cấu khác nhau.

Chuyển sang kim loại

Mặc dù quá trình CLIP từ Carbon 3D đã nhận được rất nhiều sự chú ý, có rất nhiều loại khác nhau của in 3D có thể được áp dụng cho các bộ phận ô tô và sản xuất. Trong khi các loại nhựa in khác nhau đang trở thành tiêu đề, một số công ty đang xem xét các bộ phận kim loại lớn. “Khi nhìn vào thị trường toàn cầu trị giá 90 tỷ đô la cho các sản phẩm công nghệ sản xuất, ít hơn 1 tỷ đô la hiện đang được lấy từ máy in kim loại 3D”, David Burns, CEO của ExOne nghỉ hưu cho biết. “Trong vòng năm năm tới, có thể có nhu cầu tới 10 tỷ đô la từ những cỗ máy này, và câu hỏi đặt ra là: Công ty sẽ cung cấp một công nghệ mở rộng như thế nào?”

Đã có sự gia tăng nhu cầu và sự quan tâm đến việc in 3D các bộ phận kim loại lớn. Tại Triển lãm Công nghệ Sản xuất Quốc tế (IMTS) vào tháng 9 vừa qua, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oakridge (ORNL) đã trình bày một số phương tiện in 3D cỡ lớn và thậm chí cả không gian sống được in. “Năm tới tại CONEXPO-CON, chúng tôi sẽ in một máy xúc trực tiếp tại triển lãm”, Lonnie Love, trưởng nhóm nghiên cứu cho nhóm nghiên cứu hệ thống sản xuất tại ORNL cho biết. Các bộ phận kim loại lớn có thể không hoàn toàn chính xác hoặc tiết kiệm tại thời điểm này.

Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã trình bày nhiều bản sao in 3D tại IMTS của năm nay. Vật liệu tổng hợp in 3D trong các nền tảng lớn đang trưng bày nhiều hơn ở các chương trình như thế này.

In kim loại chắc chắn sẽ hỗ trợ việc áp dụng đó. Trong một quá trình tương đối mới, in 3D kim loại lỏng hiện đang có sẵn. Một hoạt động của cha-con ở Buffalo, NY, được gọi là Vader Systems đang sử dụng đầu in magnetohydrodynamic lấy cảm hứng từ súng Gauss mà họ đang gọi là máy bay phản lực magneto. Điều này cho phép kiểm soát không chỉ nơi các giọt đang được đặt, và ngay cả kích thước của giọt. “Quá trình của chúng tôi có thể in nhôm với tốc độ lắng đọng của một pound mỗi giờ với chi phí rất thấp,” Giám đốc điều hành Scott Vader nói. “Trong một vài năm tới, chúng tôi sẽ in với mức giá sẽ cạnh tranh với quy trình sản xuất thông thường. Ngoài ra, chúng tôi sẽ tăng nhiệt độ đầu in của chúng tôi để cho phép in thép và các kim loại nhiệt độ cao khác.”

Gần đây, Viện Công nghệ Rochester đã tuyên bố sẽ mua lại Vader Systems. Công nghệ in sẽ trở thành một phần của Trung tâm AMPrint của trường. Mục tiêu của trung tâm là thúc đẩy hai ngành công nghiệp Finger Lake — in ấn và chụp ảnh.

Hiện nay, bột in và in chùm tia điện tử dường như hoạt động tốt cho ngành in kim loại. Các công ty như Sciaky sử dụng quy trình chùm tia điện tử bằng dây điện tương tự như hàn các lớp kim loại trong chân không. Phương pháp hàn ngăn cản sự hình thành gỉ và ăn mòn, cho phép mật độ và độ bền của sản phẩm tốt hơn. Một đại diện Sciaky tại IMTS cho biết in trong chân không rẻ hơn làm đầy buồng bằng khí trơ mỗi bản in.

Sciaky sử dụng kỹ thuật hàn Electron Beam đã cho phép nó giảm lượng chất thải. Điều này có thể quan trọng đối khi sử dụng một số kim loại đắt tiền.

Dunham nói: “Đối với quá trình nhiệt hạch bột để in kim loại,” tôi nghĩ chúng ta sẽ thấy rất nhiều nhu cầu từ ngành công nghiệp ô tô trong hợp kim nhôm và thép không gỉ để in các tạo mẫu chức năng lúc đầu. Tuy nhiên, trong năm năm tới, quá trình này có thể tạo ra các bộ phận sản xuất.”

Với nhiều chuyên gia nói rằng xe có thể sử dụng nhiều bộ phận in 3D hơn trong năm năm tới, tiêu chuẩn mới từ ASTM International chắc chắn được chào đón. Vào đầu tháng 10, tổ chức phát triển tiêu chuẩn toàn cầu đã thông báo, “Sự lắng đọng năng lượng được chỉ đạo, một quy trình sản xuất phụ gia kim loại quan trọng, hiện được đề cập trong tiêu chuẩn ASTM quốc tế. Tiêu chuẩn này (sớm được công bố là F3187, Hướng dẫn về lắng đọng năng lượng định hướng) được phát triển bởi Ủy ban quốc tế ASTM F42 về công nghệ sản xuất phụ gia. ”Nó tập trung vào thiết lập, ứng dụng, vật liệu và nhiều hơn nữa. Mặc dù các kỹ sư đã yêu cầu các tiêu chuẩn, nhưng kỹ sư cụ thể này không thảo luận nhiều về vật liệu.

Nguyên vật liệu

“Những nỗ lực để in các hợp kim nhôm đang được thúc đẩy đến một mức độ cao bởi ngành công nghiệp ô tô,” Dunham nói. “Các hợp kim nhôm truyền thống có thể là một thách thức đối với các quy trình sản xuất bột kim loại, rất nhiều quá trình in nhôm là hợp kim không quen thuộc với ngành công nghiệp ô tô. Điều này hạn chế sự phổ biến của nó một chút.”

Vật liệu tổng hợp sử dụng sợi carbon và sợi thủy tinh đang cải thiện chất lượng trên một số loại nhựa có thể in 3D. Điều này khiến chúng hấp dẫn hơn với thị trường ô tô. Tuy nhiên, điều này có thể mang lại nhiều thách thức hơn. Dunham nói: “Ngành công nghiệp ô tô không sử dụng nhiều vật liệu tổng hợp. “Nhu cầu phát triển các giải pháp xử lý tổng hợp tốt hơn cho sản xuất ô tô số lượng lớn chắc chắn là ở đó. Số lượng lớn thường không phải là điều mà sản xuất phụ gia đã làm tốt trong quá khứ, nhưng một số điều thú vị đang được nghiên cứu về mặt đó, chẳng hạn như định dạng lớn, khả năng của đùn composite nhiệt dẻo. Dunham lưu ý, “Ngành công nghiệp ô tô nói chung chắc chắn có thể được ghi nhận với việc giúp thúc đẩy ngành công nghiệp in 3D hướng tới các giải pháp tổng hợp với tốc độ nhanh hơn trong năm năm qua.”

Theo báo cáo của SmarTech, tiêu thụ vật liệu in 3D của ngành công nghiệp ô tô sẽ đạt khoảng 530 triệu USD vào năm 2021. Một yếu tố quan trọng là sự gia tăng của vật liệu. Một trong những thách thức khi xem xét vật liệu cho một chiếc xe là các đặc tính thay đổi tùy thuộc vào môi trường. Các phương tiện trải qua nhiều thay đổi môi trường qua vòng đời của chúng, và các phương tiện được phân phối đến một phạm vi rộng lớn nhiều môi trường. Một số loại nhựa có thể không chịu nổi nhiệt độ cao. Điều này không giới hạn ở khoang động cơ. Nếu đó là một ngày nắng, nhiệt độ bên trong của xe có thể vượt quá 100 ° F. Điều này có thể gây ra sự phân hủy dây chuyền và thoái hóa sớm ở một số loại nhựa.

Trong khi vật liệu tổng hợp và polyme có độ bền cao giúp tăng nhiệt độ hoạt động của vật liệu, nó thường làm cho việc sản xuất trở nên khó khăn hơn hoặc có thêm năng lượng để xử lý. Ngoài ra, hỗn hợp và vật liệu tổng hợp có thể phù hợp và tái chế một sản phẩm cũ.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *