John Deere се обръща към 3D печат на по-ефективни части на двигателя

Новите трактори John Deere, които слизат от производствената линия в Манхайм, Германия, имат първи за компанията: метална 3D отпечатана част на двигателя.

Глобалният производител на селскостопанско и тревно оборудване не е непознат за 3D печатането, тъй като го е използвал повече от 20 години, за да направи хиляди прототипи, инструменти, приспособления и приспособления в своите глобални фабрики. Но 3D отпечатаният клапан от неръждаема стомана в горивната система на трактора е нова посока и част от това, което компанията нарича своята интелигентна индустриална стратегия.

Стартиран през 2020 г., John Deere обяви своята визия за бързо интегриране на нови технологии в три фокусни области: производствени системи, техния технологичен пакет и решения за жизнения цикъл.

3D принтирането е част от тази визия и този клапан е един от първите й плодове. Той е по-ефективен, отколкото ако беше традиционно произведен. Той е с около 50% по-евтин и значително по-малък, като използва по-малко материал. Но това е само надраскване на повърхността защо John Deere избра да 3D отпечата тази част.

Първата от много 3D отпечатани части

Новият термичен превключващ клапан на най-новите версии на тракторите John Deere 6R и 6M не е просто иновативно приложение на все по-достъпна метална 3D технология за печат, това е кулминацията на около две години научноизследователска и развойна дейност.

Започна с предизвикателството да се гарантира, че тракторите John Deere ще работят в студена среда. Инженерите бяха натоварени със задачата да разработят клапан, който може да поддържа температурата на горивото, без да се отразява на работата на двигателя.

„Първо, започвате с това, което искате да направи частта“, казва Удо Шеф, инженерен директор за малките и средни трактори на John Deere, „и работите чрез оптимизиране на изчислителната динамика на флуида и я симулирате във виртуалния свят, след което прехвърляте това в дигитален дизайн за прототип на модел."

Идеалният прототипен модел, който позволява на горивото да тече с най-голяма ефективност, има заоблени, гладки вътрешни канали. Функция, казва Шеф, е възможно да се създаде само с 3D печат.

„В динамиката на флуидите, когато имате два пресичащи се отвора, винаги имате остри ъгли, ако използвате инструменти за обработка. С 3D принтирането можете да имате заоблени ъгли, което е елементът, който ни донесе още една стъпка напред в оптимизирането на вентила.“

За да тестват дали частта ще работи според очакванията, инженерите на John Deere работиха с персонала за производство на добавки в Германия GKN добавка (3D прогноза), дигитален производител на метални части и материали, за допълнително оптимизиране на дизайна на горивния клапан за метален 3D печат. GKN отпечата прототипни клапани в стомана на новия метален 3D принтер от HPHPQ
- Решение Metal Jet S100. Този принтер използва една от технологиите за 3D печат на метали – има няколко – наречени струйно свързващо вещество, където метален прах се свързва заедно със свързващ агент слой след слой, за да образува част, която след това се синтерова в индустриална пещ. След това частта се обработва и сглобява.

Термичният превключващ вентил е подложен на строги тестове, за да се гарантира необходимото качество на тръбата, което е равно на машинно обработен или лят метал. Полевите тестове на частта също бяха успешни.

„Така че това е моментът, в който трябваше да решим как ще произведем тази част, за да отговаря на свойствата на материала и други изисквания“, казва Шеф, който също трябваше да вземе предвид краткия си краен срок за тази част, колко инструменти ще струват, и как частта ще се побере в работния процес на сглобяване.

„И тогава решихме, добре, ако тази 3D-отпечатана част работи при тестове и производството на добавки е рентабилно, тогава ще работи и в производството“, казва Шеф.

Създаването на прототипи от същия материал и метод, които ще бъдат използвани за крайната производствена част, дава на инженерите по-големи гаранции за производителност. „Избрахме процеса на метална струя от HP, защото е много по-бърз от другите процеси за 3D печат на метал“, добавя Йохен Мюлер, глобален дигитален инженерен мениджър на John Deere. „Ние откриваме възможности за предоставяне на по-ефективно, надеждно и устойчиво оборудване и HP ни предостави идеалното решение за това.“

Метален 3D печат в производствени обеми

Понастоящем повече от 4,000 клапана се изпращат от GKN до фабриката за трактори John Deere за окончателно сглобяване на цена за част, която е по-ниска от тази за коване или фрезоване. Тракторите с тази 3D-отпечатана част са вече в полето, буквално.

Мюлер казва, че друго предимство на 3D отпечатването на тази конкретна част вместо използването на традиционни методи е добавената гъвкавост в производствения процес. Тъй като 3D печатът не изисква форми или инструменти, прототипите на части бяха по-бързи и по-евтини за създаване, което ускори процеса на проектиране. Дизайнът може да бъде променен и подобрен по всяко време. Плюс това, когато става въпрос за резервни части, не е необходим постоянен инвентар. Цифровият файл с тази стойност може да бъде изпратен на всеки производител трета страна с технологията HP Metal Jet и произведен сравнително локално и бързо.

Въпреки че пълната цифрова инвентаризация на ремонтни и резервни части за настоящо и наследено оборудване на John Deer все още е проект в далечно бъдеще, компанията вече вижда потенциалните ползи.

„Имаме огромна организация за резервни части, която е много, много заинтересована от 3D печат“, казва Мюлер. Компанията вече обмисля кои и колко резервни части могат да бъдат преобразувани в цифрови файлове за 3D печат, което би елиминирало складирането. „Обикновено имаме резервни части на склад за около 20 години, понякога дори повече, и е много трудно да се предвиди какво да правим с наличните запаси и как да ги попълним, ако свършат.”

Отвъд 3D отпечатване на резервни части при поискване, Müller предвижда бъдеще, в което John Deere може да анализира износени или счупени части и да отпечатва 3D персонализирани части, които са подсилени за индивидуални случаи на употреба.

3D принтиране, доказано чрез прототипиране

John Deere, подобно на много производствени и автомобилни компании, започна 3D печат в своята инженерна лаборатория с прототипи на полимерен дизайн на части и концепции за превозни средства.

Компанията бързо научи, че наличието на физически модели, които да обработват, напасват и сравняват със съществуващите части, е безценно във фазата на проектиране. „Хората от поточната линия могат да проверят дали вашата концептуална част е осъществима от гледна точка на производството“, отбелязва Шеф.

Тези прототипи са по-ефективни и значително по-бързи от машинната обработка или изрязване на дърво, което беше една от техниките, използвани преди John Deere да започне 3D печат през 2000 г.

„Нашите вътрешни възможности за 3D печат позволяват на нашите дизайнери лесно да тестват идеите си и да проверяват своите концепции на много ранен етап от процеса на разработка“, добавя Мюлер. „Това е начин на мислене „да се провалиш рано“. Искаме да представим всички концепции като физически модели и да имаме различни групи заедно, за да излезем с правилната концепция. Така че 3D печатът и адитивното производство като цяло ни дават възможност да правим това.“

Термичният отклоняващ клапан е само първата от многото 3D отпечатани части за трактори, които ще се появят.

Приспособления и инструменти за фабрика за 3D печат

3D принтери се намират в почти всяка фабрика на John Deere по света, произвеждаща приспособления и фабрични инструменти 24/7. Шеф казва, че все още се извършва традиционно производство, тъй като 3D принтирането не може да замени всичко, но когато става дума за части с уникални контури или специални инструменти, 3D принтирането е предпочитаният метод.

Фабричните приспособления са почти винаги уникални за фабричната линия и са скъпи за обработка в малки количества. За да улесни 3D отпечатването на тези части, John Deere създаде глобална мрежа от 3D принтери с различни принтерни технологии на различни места и по-големите фабрики обслужват нуждите на по-малките фабрики.

Във всяка фабрика на John Deere отделът за производствен инженеринг, който има за задача да намери най-ефективните производствени процеси, предлага нови инструменти и определя дали те са най-добре направени с добавки или традиционни технологии. След това дигиталната инженерна група на Müller разработва цифровите модели, които се изпращат обратно във фабриката за 3D печат или възлагат на местна услуга за 3D печат.

От прототипи до крайни компоненти, инструменти и резервни части, 3D принтирането е един от основните активи на John Deere в стремежа му да бъде по-дигитална и гъвкава организация, казва Мюлер. Той позволява на инженерите да разработват концепции от идея до физическа част по-бързо чрез части за бързо прототипиране, а сега, с най-новия си проект, да пуснат на пазара по-ефективни части на двигателя по-бързо и по-евтино.