John Deere apelează la imprimarea 3D a pieselor de motor mai eficiente

Noile tractoare John Deere care ies de pe linia de producție din Mannheim, Germania, au o premieră pentru companie: o piesă metalică a motorului imprimată 3D.

Producătorul global de echipamente agricole și pentru gazon nu este străin de imprimarea 3D, folosind-o de mai bine de 20 de ani pentru a realiza mii de prototipuri, unelte, dispozitive și accesorii în fabricile sale globale. Dar supapa din oțel inoxidabil imprimată 3D din sistemul de combustibil al tractorului este o nouă direcție și face parte din ceea ce compania numește strategia industrială inteligentă.

Lansat în 2020, John Deere și-a anunțat viziunea de a integra rapid noile tehnologii în trei domenii de interes: sisteme de producție, tehnologia lor și soluții pentru ciclul de viață.

Imprimarea 3D face parte din această viziune, iar această supapă este unul dintre primele sale roade. Este mai eficient decât dacă ar fi fabricat în mod tradițional. Este cu aproximativ 50% mai ieftin și semnificativ mai mic, folosind mai puțin material. Dar acest lucru este doar să zgârie suprafața motivului pentru care John Deere a ales să imprime 3D această parte.

Prima dintre multele piese imprimate 3D

Noua supapă de deviere termică a celor mai recente versiuni de tractoare John Deere 6R și 6M nu este doar o aplicație inovatoare a tehnologiei de imprimare 3D din metal din ce în ce mai accesibilă, ci este punctul culminant a aproximativ doi ani de cercetare și dezvoltare.

A început cu o provocare de a se asigura că tractoarele John Deere vor funcționa în medii reci. Inginerii au fost însărcinați cu dezvoltarea unei supape care ar putea menține temperatura combustibilului fără a afecta performanța motorului.

„În primul rând, începi cu ceea ce vrei să facă piesa”, spune Udo Scheff, director de inginerie pentru tractoarele mici și mijlocii John Deere, „și lucrezi prin optimizarea dinamicii fluidelor computaționale și să o simulezi în lumea virtuală, apoi transferi asta. în designuri digitale pentru un model prototip.”

Modelul prototip idealizat, cel care lasa combustibilul sa curga cu cea mai mare eficienta, avea canale interne rotunjite, netede. O caracteristică, spune Scheff, este posibilă numai prin imprimare 3D.

„În dinamica fluidelor, când aveți două găuri care se intersectează, aveți întotdeauna colțuri ascuțite dacă utilizați unelte de prelucrare. Cu imprimarea 3D, puteți avea colțuri rotunjite, care este elementul care ne-a adus un alt pas în optimizarea supapei.”

Pentru a testa dacă piesa va funcționa conform așteptărilor, inginerii de la John Deere au lucrat cu personalul de producție aditivă de la unitatea germană. Aditiv GKN (prognoză 3D), un producător digital de piese și materiale metalice, pentru a optimiza în continuare designul supapei de combustibil pentru imprimarea 3D din metal. GKN a tipărit valve prototip din oțel pe noua imprimantă 3D metalică de la HPHPQ
, Soluție Metal Jet S100. Această imprimantă folosește una dintre tehnologiile metalice de imprimare 3D – există mai multe – numite jet de liant, în care o pulbere de metal este unită împreună cu un agent de legare strat peste strat pentru a forma o parte care este apoi sinterizată într-un cuptor de calitate industrială. După aceea, piesa este prelucrată și asamblată.

Supapa de deviere termică a fost supusă unor teste riguroase pentru a asigura calitatea necesară a țevii, care este egală cu metalul prelucrat sau turnat. Testarea pe teren a piesei a fost, de asemenea, un succes.

„Deci, acesta este punctul în care a trebuit să decidem cum vom fabrica această piesă pentru a îndeplini proprietățile materialului și alte cerințe”, spune Scheff, care a trebuit să ia în considerare și termenul limită strâns pentru această piesă, cât ar costa sculele. și cum s-ar potrivi piesa în fluxul de lucru de asamblare.

„Și atunci am decis, bine, dacă această piesă imprimată 3D funcționează în teste și fabricarea aditivă este eficientă din punct de vedere al costurilor, atunci va funcționa și în producție”, spune Scheff.

Crearea de prototipuri în același material și metodă care vor fi utilizate pentru partea finală de producție oferă inginerilor garanții mai mari de performanță. „Am ales procesul cu jet de metal de la HP pentru că este mult mai rapid decât alte procese de imprimare 3D din metal”, adaugă Jochen Müller, managerul global de inginerie digitală John Deere. „Descoperim oportunități de a furniza echipamente mai eficiente, mai fiabile și mai durabile, iar HP ne-a oferit soluția perfectă pentru asta.”

Imprimare 3D metal la volume de producție

În prezent, peste 4,000 de supape sunt expediate de la GKN la fabrica de tractoare John Deere pentru asamblarea finală, la un preț pe piesă mai mic decât forjarea sau frezarea. Tractoarele cu această piesă imprimată 3D sunt deja pe teren, la propriu.

Müller spune că un alt beneficiu al imprimării 3D a acestei piese specifice în loc de a folosi metode tradiționale este agilitatea adăugată în procesul de fabricație. Deoarece imprimarea 3D nu necesită matrițe sau unelte, prototipurile de piese au fost mai rapide și mai ieftine de creat, ceea ce a accelerat procesul de proiectare. Designul poate fi modificat și îmbunătățit în orice moment. În plus, când vine vorba de piese de schimb, nu este necesar un inventar permanent. Fișierul digital cu această valoare poate fi trimis oricărui producător terță parte cu tehnologia HP Metal Jet și produs relativ local și rapid.

Deși un inventar digital complet de reparații și piese de schimb pentru echipamentele John Deer actuale și vechi este încă un proiect de viitor îndepărtat, compania vede deja potențialele beneficii.

„Avem o organizație uriașă de piese de schimb care este foarte, foarte interesată de imprimarea 3D”, spune Müller. Deja, compania se gândește la ce și câte piese de schimb pot fi convertite în fișiere digitale imprimabile 3D, ceea ce ar elimina depozitarea. „De obicei, avem piese de schimb în stoc de aproximativ 20 de ani, uneori chiar mai mult, și este foarte greu de prezis ce să faci cu stocul disponibil și cum să reaprovizionezi stocul dacă epuizezi.”

Dincolo de imprimarea 3D a pieselor de schimb la cerere, Müller își imaginează un viitor în care John Deere poate analiza piesele uzate sau rupte și poate imprima 3D piese personalizate care sunt consolidate pentru cazuri individuale de utilizare.

Imprimare 3D dovedită prin prototipare

John Deere, la fel ca multe companii de producție și de automobile, a început imprimarea 3D în laboratorul lor de inginerie cu prototipuri de design polimeric de piese și concepte de vehicule.

Compania a învățat rapid că a avea modele fizice de manevrat, adaptat și comparat cu piesele existente este de neprețuit în faza de proiectare. „Oamenii de la linia de asamblare pot verifica dacă piesa dumneavoastră conceptuală este fezabilă din punct de vedere al producției”, notează Scheff.

Aceste prototipuri sunt mai eficiente și semnificativ mai rapide decât prelucrarea sau sculptarea în lemn, care a fost una dintre tehnicile utilizate înainte ca John Deere să înceapă imprimarea 3D în 2000.

„Capacitățile noastre interne de imprimare 3D le permit designerilor noștri să-și testeze cu ușurință ideile și să-și verifice conceptele într-un stadiu foarte incipient al procesului de dezvoltare”, adaugă Müller. „Este un tip de mentalitate „eșuează devreme”. Vrem să aducem toate conceptele la nivel ca modele fizice și să avem grupuri diverse împreună pentru a ieși cu conceptul potrivit. Deci, imprimarea 3D și fabricarea aditivă, în general, ne dă putere să facem asta.”

Supapa de deviere termică este doar prima dintre multele piese de tractor imprimate 3D care vor veni.

3D Printing Factory Jigs & Tools

Imprimantele 3D se găsesc în aproape toate fabricile John Deere din lume, producând accesorii și instrumente din fabrică 24/7. Scheff spune că încă există o producție tradițională, deoarece imprimarea 3D nu poate înlocui totul, dar când vine vorba de piese cu contururi unice sau unelte speciale, imprimarea 3D este metoda de alegere.

Instalațiile din fabrică sunt aproape întotdeauna unice pentru o linie de fabrică și sunt costisitoare de prelucrat în cantități mici. Pentru a facilita imprimarea 3D a acestor piese, John Deere a creat o rețea globală de imprimante 3D cu diferite tehnologii de imprimantă în diferite locații, iar fabricile mai mari servesc nevoilor fabricilor mai mici.

În fiecare fabrică John Deere, departamentul de inginerie de fabricație, care are sarcina de a găsi cele mai eficiente procese de fabricație, propune noi instrumente și determină dacă acestea sunt cel mai bine realizate cu tehnologii aditive sau tradiționale. Apoi, grupul de inginerie digitală al lui Müller dezvoltă modelele digitale care sunt trimise înapoi la fabrică pentru a imprima 3D sau externalizează către un serviciu local de imprimare 3D.

De la prototipuri până la componente finale, instrumente și piese de schimb, imprimarea 3D este unul dintre atuurile majore ale John Deere în încercarea sa de a deveni o organizație mai digitală și mai agilă, spune Müller. Acesta permite inginerilor să dezvolte concepte de la idee la partea fizică mai rapid prin prototiparea rapidă a pieselor, iar acum, cu cel mai recent proiect, să aducă piese de motor mai eficiente pe piață mai rapid și mai ieftin.