John Deere переходит на 3D-печать более эффективных деталей двигателя

Новые тракторы John Deere, сходящие с производственной линии в Мангейме, Германия, впервые получили металлическую деталь двигателя, напечатанную на 3D-принтере.

Мировой производитель сельскохозяйственного и газонного оборудования знаком с 3D-печатью уже более 20 лет для изготовления тысяч прототипов, инструментов, приспособлений и приспособлений на своих заводах по всему миру. Но напечатанный на 3D-принтере клапан из нержавеющей стали в топливной системе трактора — это новое направление и часть того, что компания называет своей стратегией Smart Industrial.

Компания John Deere, запущенная в 2020 году, объявила о своем видении быстрой интеграции новых технологий в трех основных областях: производственных системах, их технологическом наборе и решениях для жизненного цикла.

3D-печать — часть этого видения, и этот клапан — один из его первых плодов. Это более эффективно, чем если бы оно было изготовлено традиционным способом. Это примерно на 50% дешевле и значительно меньше по размеру, при этом используется меньше материала. Но это лишь малая часть того, почему John Deere решила напечатать эту деталь на 3D-принтере.

Первая из многих напечатанных на 3D-принтере деталей

Новый термораспределительный клапан на последних версиях тракторов John Deere 6R и 6M — это не просто инновационное применение все более доступной технологии 3D-печати металлом, это кульминация двухлетних исследований и разработок.

Все началось с задачи обеспечить работу тракторов John Deere в холодных условиях. Перед инженерами была поставлена ​​задача разработать клапан, который мог бы поддерживать температуру топлива, не влияя на работу двигателя.

«Во-первых, вы начинаете с того, что вы хотите, чтобы деталь делала, — говорит Удо Шефф, технический директор малых и средних тракторов John Deere, — и оптимизируете вычислительную гидродинамику и моделируете ее в виртуальном мире, а затем переносите это в цифровые проекты прототипа модели».

Идеализированная модель-прототип, которая позволяла топливу течь с наибольшей эффективностью, имела закругленные гладкие внутренние каналы. По словам Шеффа, функцию можно создать только с помощью 3D-печати.

«В гидродинамике, когда у вас есть два пересекающихся отверстия, у вас всегда будут острые углы, если вы используете инструменты для обработки. Благодаря 3D-печати вы можете получить скругленные углы, что позволило нам сделать еще один шаг в оптимизации клапана».

Чтобы проверить, будет ли деталь работать должным образом, инженеры John Deere работали с персоналом аддитивного производства в Германии. Добавка ГКН (Прогноз 3D), цифрового производителя металлических деталей и материалов, для дальнейшей оптимизации конструкции топливного клапана для 3D-печати металлом. GKN напечатала прототип клапана из стали на новом металлическом 3D-принтере от HPHPQ
, Решение Metal Jet S100. В этом принтере используется одна из технологий 3D-печати металлом — их несколько — под названием струйная обработка связующего, где металлический порошок соединяется со связующим слоем слой за слоем, образуя деталь, которая затем спекается в печи промышленного класса. После этого деталь обрабатывается и собирается.

Термоотводной клапан прошел строгие испытания, чтобы обеспечить требуемое качество трубы, равное качеству обработанного металла или литья по выплавляемым моделям. Полевые испытания детали также прошли успешно.

«Именно здесь мы должны были решить, как мы собираемся производить эту деталь, чтобы соответствовать свойствам материала и другим требованиям», — говорит Шефф, который также должен был учитывать свои сжатые сроки для этой детали, сколько будет стоить инструмент, и как деталь будет вписываться в рабочий процесс сборки.

«И тогда мы решили, хорошо, если эта напечатанная на 3D-принтере деталь работает в тестах, а аддитивное производство рентабельно, то она будет работать и в производстве», — говорит Шефф.

Создание прототипов из того же материала и того же метода, которые будут использоваться для конечной производственной детали, дает инженерам большую уверенность в производительности. «Мы выбрали процесс металлической струи от HP, потому что он намного быстрее, чем другие процессы 3D-печати металлом», — добавляет Йохен Мюллер, глобальный менеджер по цифровым технологиям John Deere. «Мы открываем возможности для производства более эффективного, надежного и экологичного оборудования, и HP предоставила нам для этого идеальное решение».

3D-печать металлом в производственных объемах

В настоящее время более 4,000 клапанов отправляются с GKN на тракторный завод John Deere для окончательной сборки по цене за деталь ниже, чем ковка или фрезерование. Тракторы с этой напечатанной на 3D-принтере деталью буквально уже в поле.

Мюллер говорит, что еще одним преимуществом 3D-печати этой конкретной детали по сравнению с традиционными методами является дополнительная гибкость производственного процесса. Поскольку для 3D-печати не требуются пресс-формы или инструменты, создание прототипов деталей стало быстрее и дешевле, что ускорило процесс проектирования. В любой момент дизайн можно изменить и улучшить. Кроме того, когда дело доходит до запасных частей, нет необходимости в постоянных запасах. Цифровой файл такого размера может быть отправлен любому стороннему производителю с технологией HP Metal Jet и произведен относительно локально и быстро.

Хотя полная цифровая инвентаризация запасных частей и запасных частей для текущего и устаревшего оборудования John Deer все еще является проектом отдаленного будущего, компания уже видит потенциальные преимущества.

«У нас есть огромная организация по запасным частям, которая очень, очень заинтересована в 3D-печати», — говорит Мюллер. Компания уже думает о том, какие и сколько запасных частей можно преобразовать в цифровые файлы для 3D-печати, что избавит от складского хранения. «Обычно у нас есть запасные части примерно на 20 лет, а иногда и дольше, и очень сложно предугадать, что делать с имеющимся запасом и как пополнить запас, если он закончится».

Помимо 3D-печати запасных частей по запросу, Мюллер видит будущее, в котором John Deere сможет анализировать изношенные или сломанные детали, а также 3D-печать нестандартных деталей, усиленных для конкретных случаев использования.

3D-печать, подтвержденная прототипированием

John Deere, как и многие производственные и автомобильные компании, начала 3D-печать в своей инженерной лаборатории с полимерных прототипов деталей и концепций автомобилей.

Компания быстро поняла, что наличие физических моделей для обработки, подгонки и сравнения с существующими деталями имеет неоценимое значение на этапе проектирования. «Люди с конвейера могут проверить, реализуема ли ваша концептуальная деталь с точки зрения производства», — отмечает Шефф.

Эти прототипы более эффективны и значительно быстрее, чем механическая обработка или вырезание из дерева, что было одним из методов, использовавшихся до того, как John Deere начал 3D-печать в 2000 году.

«Наши внутренние возможности 3D-печати позволяют нашим дизайнерам легко тестировать свои идеи и проверять свои концепции на самой ранней стадии процесса разработки», — добавляет Мюллер. «Это тип мышления «рано потерпеть неудачу». Мы хотим представить все концепции в виде физических моделей и собрать вместе разные группы, чтобы выработать правильную концепцию. Таким образом, 3D-печать и аддитивное производство в целом позволяют нам это делать».

Термоотводной клапан — это лишь первая из многих будущих деталей трактора, напечатанных на 3D-принтере.

Заводские приспособления и инструменты для 3D-печати

3D-принтеры есть почти на каждом заводе John Deere по всему миру, где круглосуточно и без выходных производятся приспособления и заводские инструменты. Шефф говорит, что традиционное производство все еще имеет место, потому что 24D-печать не может заменить все, но когда речь идет о деталях с уникальными контурами или специальными инструментами, 7D-печать является предпочтительным методом.

Заводские приспособления почти всегда уникальны для заводской линии и дороги в обработке в небольших количествах. Чтобы облегчить 3D-печать этих деталей, John Deere создала глобальную сеть 3D-принтеров с различными технологиями печати в разных местах, а более крупные фабрики обслуживают потребности более мелких фабрик.

На каждом заводе John Deere инженерно-технологический отдел, которому поручено найти наиболее эффективные производственные процессы, предлагает новые инструменты и определяет, какие технологии лучше всего использовать — аддитивные или традиционные. Затем группа цифровых инженеров Мюллера разрабатывает цифровые модели, которые отправляются обратно на завод для 3D-печати или отдаются на аутсорсинг в местную службу 3D-печати.

По словам Мюллера, от прототипов до готовых компонентов, инструментов и запасных частей, 3D-печать является одним из основных активов John Deere в ее стремлении стать более цифровой и гибкой организацией. Это позволяет инженерам быстрее разрабатывать концепции от идеи до физической детали за счет быстрого прототипирования деталей, а теперь, благодаря своему последнему проекту, быстрее и дешевле выводить на рынок более эффективные детали двигателя.