John Deere переходить до 3D-друку більш ефективних деталей двигуна

Нові трактори John Deere, які сходять з виробничої лінії в Мангеймі, Німеччина, мають перші для компанії: металеву частину двигуна, надруковану на 3D-принтері.

Всесвітній виробник сільськогосподарського обладнання та обладнання для газонів не є новим 3D-друком, він використовував його протягом понад 20 років для виготовлення тисяч прототипів, інструментів, пристосувань і пристосувань на своїх заводах по всьому світу. Але 3D-друкований клапан з нержавіючої сталі в паливній системі трактора є новим напрямком і частиною того, що компанія називає своєю розумною промисловою стратегією.

Запущений у 2020 році, John Deere оголосив про своє бачення швидкої інтеграції нових технологій у трьох основних сферах: виробничі системи, їх технологічний набір і рішення життєвого циклу.

3D-друк є частиною цього бачення, і цей клапан є одним із його перших плодів. Це ефективніше, ніж якби було виготовлено традиційним способом. Це приблизно на 50% дешевше та значно менше, використовуючи менше матеріалів. Але це лише поверхнева інформація про те, чому John Deere вирішила надрукувати цю деталь на 3D.

Перша з багатьох частин, надрукованих на 3D

Новий термоперевідний клапан на останніх версіях тракторів John Deere 6R і 6M — це не просто інноваційне застосування все більш доступної технології 3D-друку з металу, це кульмінація близько двох років досліджень і розробок.

Все почалося з завдання забезпечити роботу тракторів John Deere в холодних умовах. Інженерам було доручено розробити клапан, який міг би підтримувати температуру палива, не впливаючи на роботу двигуна.

«Спочатку ви починаєте з того, що ви хочете, щоб ця деталь робила, — каже Удо Шефф, директор із розробки малих і середніх тракторів John Deere, — працюєте над оптимізацією обчислювальної динаміки рідини та моделюванням її у віртуальному світі, а потім переносите це в цифровий дизайн для прототипу моделі».

Ідеалізована прототипна модель, яка пропускала паливо з найбільшою ефективністю, мала закруглені гладкі внутрішні канали. Функцію, каже Шефф, можна створити лише за допомогою 3D-друку.

«У динаміці рідини, коли у вас є два отвори, які перетинаються, у вас завжди є гострі кути, якщо ви використовуєте інструменти для обробки. Завдяки 3D-друку ви можете отримати круглі кути, що є тим елементом, який приніс нам ще один крок вперед в оптимізації клапана».

Щоб перевірити, чи буде деталь працювати належним чином, інженери John Deere працювали з персоналом з виробництва добавок у Німеччині. Добавка GKN (Прогноз 3D), цифрового виробника металевих деталей і матеріалів, для подальшої оптимізації конструкції паливного клапана для металевого 3D-друку. GKN надрукував прототип клапанів зі сталі на новому металевому 3D-принтері від HPHPQ
, Рішення Metal Jet S100. У цьому принтері використовується одна з технологій 3D-друку металу – їх декілька – які називаються струменеве сполучне, де металевий порошок з’єднується разом із зв’язуючим агентом шар за шаром, щоб утворити деталь, яка потім спікається в промисловій печі. Після цього деталь обробляється та збирається.

Термічний перекидний клапан пройшов суворе випробування, щоб забезпечити необхідну якість труби, яка відповідає механічній обробці або литому металу. Польові випробування деталі також пройшли успішно.

«Тож це момент, коли ми повинні були вирішити, як ми будемо виготовляти цю деталь, щоб відповідати властивостям матеріалу та іншим вимогам», — каже Шефф, якому також довелося врахувати стислі терміни для цієї деталі, скільки коштуватимуть інструменти, і як деталь підійде до робочого процесу складання.

«Тоді ми вирішили: гаразд, якщо ця деталь, надрукована на 3D, працює під час випробувань і адитивне виробництво є економічно ефективним, тоді вона працюватиме й у виробництві», — каже Шефф.

Створення прототипів із тих самих матеріалів і методів, які будуть використовуватися для кінцевої частини виробництва, дає інженерам більшу гарантію продуктивності. «Ми обрали металевий струменевий процес від HP, тому що він набагато швидший, ніж інші процеси 3D-друку з металу», — додає Йохен Мюллер, глобальний менеджер із цифрової інженерії John Deere. «Ми знаходимо можливості постачати більш ефективне, надійне та стійке обладнання, і HP надала нам для цього ідеальне рішення».

Металевий 3D друк у великих обсягах

В даний час понад 4,000 клапанів відправляються з GKN на завод тракторів John Deere для остаточного складання за ціною, нижчою за ціну кування або фрезерування. Трактори з цією надрукованою на 3D-принтері деталлю вже в полі, буквально.

Мюллер каже, що ще однією перевагою 3D-друку цієї конкретної деталі замість використання традиційних методів є додаткова гнучкість у виробничому процесі. Оскільки для 3D-друку не потрібні форми чи інструменти, прототипи деталей було швидше та дешевше створювати, що прискорило процес проектування. Дизайн можна налаштувати та покращити в будь-який час. Крім того, коли справа доходить до запасних частин, не потрібно постійного запасу. Цифровий файл цього значення можна надіслати будь-якому сторонньому виробнику з технологією HP Metal Jet і виготовити відносно локально та швидко.

Хоча повна цифрова інвентаризація ремонту та запасних частин для поточного та застарілого обладнання John Deer все ще є проектом далекого майбутнього, компанія вже бачить потенційні переваги.

«У нас є величезна організація з продажу запчастин, яка дуже, дуже зацікавлена ​​в 3D-друкі», — каже Мюллер. Компанія вже думає про те, які та скільки запчастин можна перетворити на цифрові файли для 3D-друку, що позбавить від складування. «Зазвичай ми маємо запасні частини на складі приблизно на 20 років, іноді навіть довше, і дуже важко передбачити, що робити з наявними запасами та як поповнити їх, якщо вони закінчаться».

Крім 3D-друку запасних частин на вимогу, Müller передбачає майбутнє, де John Deere зможе аналізувати зношені або зламані деталі та 3D-друкувати спеціальні деталі, посилені для індивідуальних випадків використання.

Тривимірний друк підтверджено за допомогою прототипування

John Deere, як і багато інших виробничих і автомобільних компаній, розпочав 3D-друк у своїй інженерній лабораторії з полімерних прототипів деталей і концептів транспортних засобів.

Компанія швидко зрозуміла, що наявність фізичних моделей для обробки, підгонки та порівняння з існуючими частинами є неоціненною на етапі проектування. «Люди з конвеєра можуть перевірити, чи ваша концептуальна деталь реалізована з точки зору виробництва», — зазначає Шефф.

Ці прототипи є більш ефективними та значно швидшими, ніж механічна обробка або вирізання деревини, яка була однією з технік, які використовувалися до того, як John Deere почав 3D-друк у 2000 році.

«Наші внутрішні можливості 3D-друку дозволяють нашим дизайнерам легко тестувати свої ідеї та перевіряти свої концепції на дуже ранній стадії процесу розробки», — додає Мюллер. «Це тип мислення «зазнати невдачі рано». Ми хочемо представити всі концепції як фізичні моделі та об’єднати різні групи, щоб вийти з правильною концепцією. Тож 3D-друк і адитивне виробництво загалом дають нам змогу це робити».

Термічний розподільний клапан є лише першою з багатьох частин трактора, надрукованих на 3D-принтері.

Пристосування та інструменти для фабрики 3D-друку

3D-принтери є майже на кожній фабриці John Deere в усьому світі, де цілодобово та без вихідних виготовляються приладдя та фабричні інструменти. Шефф каже, що все ще існує традиційне виробництво, оскільки 24D-друк не може замінити все, але коли мова йде про деталі з унікальними контурами або спеціальним інструментом, 7D-друк є методом вибору.

Фабричні світильники майже завжди унікальні для фабричної лінії та дорогі для машинного виробництва в невеликих кількостях. Щоб полегшити 3D-друк цих деталей, компанія John Deere створила глобальну мережу 3D-принтерів із різними технологіями друку в різних місцях, а більші заводи задовольняють потреби менших заводів.

На кожній фабриці John Deere відділ інженерного виробництва, якому доручено знайти найефективніші виробничі процеси, пропонує нові інструменти та визначає, чи краще їх виготовляти за допомогою адитивних чи традиційних технологій. Потім група цифрових інженерів Мюллера розробляє цифрові моделі, які надсилаються на фабрику для 3D-друку або передаються місцевій службі 3D-друку.

Від прототипів до кінцевих компонентів, інструментів і запасних частин, 3D-друк є одним із головних активів John Deere в її прагненні стати більш цифровою та гнучкою організацією, каже Мюллер. Він дозволяє інженерам швидше розробляти концепції від ідеї до фізичної частини за допомогою швидкого прототипування частин, а тепер, завдяки своєму останньому проекту, вивести на ринок більш ефективні частини двигуна швидше та дешевше.