التصنيع بالإضافة
هل السيارات المطبوعة ثلاثيًا ممكنة؟ التطورات الجديدة تسلط الضوء على إجابة
الطباعة ثلاثية الأبعاد استحوذت على خيال مجموعة من الصناعات حول العالم. تُعرف أيضًا باسم التصنيع الإضافي، وقد تم تسميتها بحق واحدة من أكثر التقنيات تعريفًا في عصرنا. على عكس تقنيات التصنيع التقليدية، هي طريقة يمكنها بناء أجسام ثلاثية الأبعاد من أي نوع تقريبًا بطبقات. لتحقيق ذلك، تستفيد التقنية من التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) ومجموعة واسعة من المواد مثل المعدن، البلاستيك، الخرسانة أو الورق.
المرونة التي يجلبها للمصنعين حول العالم لتقليل التكلفة والوقت في تدفقات الإنتاج تجعلها مرشحًا رئيسيًا للتبني المتسارع قريبًا. وفقًا للتقديرات، قد ينمو حجم سوق منتجات وخدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد عالميًا من US$12.6 billion in 2020 to US$37.2 billion in 2026. بحلول عام 2030، قد يصل عدد أجهزة التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد عالميًا إلى 2.8 مليون.
مثل هذا النمو القوي سيجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد شائعة عمليًا. لذلك، يتساءل الجميع: هل يمكن أن تصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد مناسبة لقطاع السيارات، وهو قطاع يقدّر الدقة التصنيعية بشكل كبير؟ بعبارة أكثر مباشرة، هل من الممكن طباعة السيارات ثلاثيًا؟ سنناقش الإمكانيات في الأقسام القادمة.
انقر هنا لتعرف لماذا الطباعة ثلاثية الأبعاد سوق محتمل بقيمة 500 مليار دولار.
اختراق جامعة توهوكو في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد
حقق معهد الجامعة لأبحاث المواد ومركز حاضنة إنشاء صناعات جديدة شيئًا متقدمًا. أظهر الباحثون العملية لإنشاء جزء سيارة خفيف الوزن ولكنه متين من خلال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد.
المصدر: جامعة توهوكو
هنا، نحتاج إلى النظر عن كثب في ظاهرة تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد. كما يشير الاسم، تجمع الهياكل متعددة المواد بشكل استراتيجي بين مواد مختلفة لتحقيق الأداء الأمثل للمكون. والأهم من ذلك، يمكن إنشاؤها من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد.
أثناء شرح ظهور هذه التقنية، قال الأستاذ المشارك كينتا يامانكا من جامعة توهوكو ما يلي:
“المواد المتعددة هي موضوع ساخن في مجال التصنيع الإضافي بسبب مرونة عملياته.”
ومع ذلك، أشار أيضًا إلى القيود التي تصاحب التقنية. وفقًا له:
“بالنسبة لبعض تركيبات المعادن، مثل الفولاذ والألمنيوم، يمكن أن تتشكل مركبات بينية هشة عند واجهات المعادن المختلفة. لذا، بينما يصبح المادة أخف وزنًا، تصبح أكثر هشاشة.”
أكثر جانب ذي صلة في هذا البحث هو أن العلماء حاولوا حل هذه العقبة من خلال إنتاج سبيكة فولاذ-ألمنيوم – على الرغم من خفتها – دون التضحية بالقوة.
تم تحقيق الهدف باستخدام تقنية دمج مسحوق الليزر (L-PBF)، وهي إحدى تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن الأساسية التي تستخدم ليزرًا لصهر مساحيق المعادن بشكل انتقائي. وجد الباحثون أن زيادة سرعة مسح الليزر يمكن أن يضغط بشكل كبير على تكوين المركبات البينية الهشة (مثل Al5Fe2 و Al13Fe4). اقترحوا أن هذه السرعة العالية قد تؤدي إلى ما يسمى بالتصلب غير المتوازن، مما يقلل من تقسيم المذابات التي تنتج نقاط ضعف في المادة. الـ النتيجة النهائية كانت في شكل منتج يمتلك واجهات ربط قوية.
في توضيح قيمة فهم آلية السبك داخل الموقع هذه، قال الأستاذ المساعد المعين سيونغكين ييم من جامعة توهوكو ما يلي:
“بعبارة أخرى، لا يمكنك مجرد لصق معدنين معًا وتوقع أن يلتصقا دون خطة.”
بينما قد تبدو نتائج الباحثين في جامعة توهوكو تقنية ومعقدة، إلا أن لها تداعيات كبيرة في مجال تصنيع السيارات. باختصار، تمكن الباحثون من نمذجة أول مكون متعدد المواد للسيارات على نطاق كامل (برج التعليق) بجغرافيا مخصصة. في المستقبل، قد تؤثر النتائج على تركيبات معدنية أخرى حيث توجد مشكلات مماثلة في الربط تحتاج إلى تحسين.
بينما يفتح هذا البحث آفاقًا جديدة لصناعة السيارات، فإن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في هذا المجال ليس جديدًا.
انقر هنا لتعرف كيف تتكامل الطباعة ثلاثية الأبعاد في مستقبل التصنيع.
الطباعة ثلاثية الأبعاد لتسريع النماذج الأولية وإعادة تصميم المكونات أو الأجزاء
يقول خبراء الصناعة إن الطباعة ثلاثية الأبعاد قد استخدمت بالفعل لتسريع إنشاء النماذج الأولية، وإعادة تصميم أجزاء ومكونات مختارة، وحتى استبدالها. ومع مرور الوقت، انتقل استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى ما وراء نطاقها الأولي لاستكشاف تصنيع النماذج الأولية وإنتاج قطع زخرفية مطبوعة ثلاثيًا مخصصة ذات حجم منخفض في بعض السيارات الحالية.
وفقًا لروبرت ويلج، المدير التنفيذي، الرئيس التنفيذي، SME، المعروف سابقًا بجمعية مهندسي التصنيع:
“مع تحول صناعة السيارات نحو منصات هجينة أو حتى كهربائية تركز على خفة الوزن، يلعب التصنيع الإضافي دورًا كبيرًا لأنه يتيح طرقًا فعّالة لإنشاء تصاميم كفء.”
بدلاً من ثلاثة أجزاء، التي قد كانت متطلبًا سابقًا، تجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد الآن من الممكن تحسين التصميم إلى قطعة واحدة، مع وضع المادة فقط حيث الحاجة لجعلها أخف وزنًا، أقوى، وأكثر مرونة.
وفقًا لدالاس مارتن، مهندس التصنيع الإضافي في تويوتا موتور شمال أمريكا:
“تكامل الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع الأدوات والقوالب قد عزز كفاءة ومرونة خط الإنتاج.”
تشير مراجعة الأبحاث التي أجريت في هذا المجال حتى الآن إلى أن الطباعة ثلاثية الأبعاد قد تحدث ثورة في صناعة السيارات من خلال جعل التصاميم أكثر مرونة، وتسريع النمذجة الأولية، وتحسين كفاءة تقليل النفايات. يمكن تحقيق ذلك بالحفاظ على خفة الإنتاج. أشار الباحثون إلى هذه الأسباب كعوامل تدفع صانعي السيارات إلى زيادة استثماراتهم في تقنيات التصنيع الإضافي.
بينما سنستكشف بعض الشركات الرائدة النشطة في هذا المجال في الأقسام القادمة، لاحظ الباحثون المزيد من الفرص للتصنيع الإضافي في حلول مستدامة وصديقة للبيئة، خصوصًا في تحسين أنظمة البطاريات والسيارات الكهربائية. قد تكون الطباعة ثلاثية الأبعاد مفيدة في إنشاء تركيبات بطاريات مقاومة للحرارة تحسن من تبديد الحرارة وتبريد البطارية. كما يُنظر إليها كحل واعد لتصنيع بطاريات الليثيوم الصلبة.
في الأقسام القادمة، سنستعرض حالات الاستخدام حيث تقوم شركات السيارات المعروفة بتطوير حلول فعّالة.
1. Toyota (TM )
في يوليو 2024، صدرت تقارير عن تويوتا تقدم سيارات مفهوم Hyper-F بأجزاء مطبوعة ثلاثيًا. شركة رائدة في هذا المجال، تويوتا، من خلال TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — التي شاركت بالفعل في إنتاج ملحقات للسيارات لموديلات تويوتا المختلفة — كشفت عن مفهوم SUV عالي الأداء يضم أجزاء مطبوعة ثلاثيًا ومواد متقدمة. كان ذلك ممكنًا فقط بفضل التعاون مع الشركات اليابانية ميتسوي كيميكالز وARRK كوربوريشن.
تشير التقارير إلى أن سيارة مفهوم Hyper-F من تويوتا تستند إلى تويوتا فورتونر، التي طورتها TCD Asia. بالاستفادة من الخبرة التقنية المتقدمة لشركة ميتسوي كيميكالز، استخدمت تويوتا الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الحبيبات لإنتاج أجزاء من حبيبات البلاستيك بتكلفة منخفضة، مما قلل من أوقات التطوير وتكاليف الاستثمار.
زعمت الشركة أن هذه الأجزاء المطبوعة ثلاثيًا مستقرة بشكل خاص وجاهزة للطباعة لتشكيل أجزاء ذات تنسيق كبير. في سيارة مفهوم تويوتا Hyper-F، تزين المكونات المطبوعة ثلاثيًا ألواح فتحات هواء الغطاء.
قبل ذلك، تم الإبلاغ عن أن تويوتا تعاونت أيضًا مع Solize، شريك في هندسة تطوير المنتجات العالمية ومزود خدمات الهندسة، لـ طباعة مكونات سيارات احتياطية ثلاثيًا حسب الطلب. على وجه التحديد، استخدمت تويوتا تقنية الطباعة المتعددة الفوهات (Multi-jet fusion) لإنشاء قطع مخزنة قبل بيعها إلى جانب قطع الغيار التقليدية. قدم عملاق تقني عالمي آخر، HP، الطابعات لتويوتا.
أثناء الحديث عن اهتمام صناعة السيارات بالاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد، قال نوبيكي أوكادو، المدير العام لشركة HP اليابان:
“نرى كل يوم تزايدًا في الجذب وتطبيقات مطبوعة ثلاثيًا أكثر نضجًا عبر العديد من الصناعات عالميًا، خاصة في قطاع السيارات. تُظهر صانعات السيارات الرائدة مثل شركة تويوتا موتور كوربوريشن قوة الطباعة ثلاثية الأبعاد للتصميم المرن، وسرعة الوصول إلى السوق، وتأثيرها المستدام.”
بعيدًا عن HP، استفادت تويوتا من حلول عدة شركات أخرى لتحسين عروضها في مجال السيارات المطبوعة ثلاثيًا. على سبيل المثال، تعاونت الشركة مع Materialise لتطوير مقعد سيارة مطبوع ثلاثيًا فائق الخفة. استثمرت في البحث والتطوير للتقنية من خلال تطوير مادة Somos Taurus بالتعاون مع DSM، وهي مادة يُقال إنها مثالية لتطبيقات السيارات بفضل درجة انحراف الحرارة الفعّالة عند 95°C. كما أن جناح الطباعة ثلاثية الأبعاد في جامعة واترلو يحمل اسمها.
(TM
)
في مايو 2024، قامت شركة تويوتا موتور بنشر تقريرها المالي للعام 2024 للفترة من 1 أبريل 2023 حتى 31 مارس 2024. سجلت الشركة إيرادات مبيعات قدرها 45,095,325 مليون ين ودخل تشغيلي قدره 5,352,934 مليون ين.
2. General Motors (GM )
في عام 2022، ربما كان أكثر لاعب معروف في صناعة السيارات على مستوى العالم قد تجاوز النماذج الأولية والأجزاء ذات الحجم المنخفض في استخدامه الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي. أكبر صانع سيارات في الولايات المتحدة يطبع أدوات مخصصة لمشغلي المصانع، مما يجعل وظائفهم أكثر أمانًا وإنتاجية.
تعود علاقة جنرال موتورز بالطباعة ثلاثية الأبعاد إلى عام 1989 عندما قامت بتركيب أول طابعة ثلاثية الأبعاد، وهي آلة ستيروليثوغرافيا ذات الرقم التسلسلي “3”، في مركز وارن (ميتشيغان) للتقنية بالقرب من ديترويت.
وفقًا لعلي شابير، مدير مجموعة الهندسة في جنرال موتورز لتصنيع التصنيع الإضافي:
“مع تقدم التكنولوجيا، وقوة المواد، وتوافر المعادن، بدأ الأمر يكتسب زخماً، وقال التنفيذيون: ‘أعلمون أن هذا شيء نحتاج إلى الانتباه إليه، لذا دعونا نضع فريقًا صغيرًا لاستكشاف ما يمكن القيام به.'”
في عام 2019، افتتحت جنرال موتورز مختبر الابتكار الإضافي (AIL)، وهو منشأة مساحتها 4,000 قدم مربع في مركز كول الهندسي بالمركز التقني العالمي.
وفقًا لعلي شابير، كان هذا المختبر جوهرة التاج في برنامج التعليم الإضافي لجنرال موتورز. كان مساحة عمل صانعي ومركز تعلم حيث يمكن للموظفين تعلم كيفية تصميم وإعداد عمليات التصنيع الإضافي ومعالجة الأجزاء بعد الطباعة.
من بين العديد من الأمثلة على نجاح جنرال موتورز في نشر الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي في صناعة السيارات، يبرز بعضها. على سبيل المثال، في عام 2020، طابعت الشركة 75% من أجزاء النموذج الأولي غير التشغيلي (ليس السيارة الإنتاجية) لأول شيفروليه كورفيت C8 لعام 2020، مما سمح للمهندسين بدراسة عملية التجميع النهائية وتحديد تحديات الإنتاج.
في ذلك العام، أنتجت الشركة أجزاء إضافية لموسم السباقات لسيارة كورفيت C8.R، وإنديكار، وناسكار كامارو، وفريق سيلفرادو للسباقات.
في عام 2021، من خلال شراكته مع GKN Additive Forecast 3D، طابعت الشركة 60,000 “أختام إغلاق الجناح” مرنة لتكملة 30,000 شيفروليه تاهو SUV في غضون خمسة أسابيع. كان من الممكن أن تستغرق طريقة الإنتاج التقليدية – حقن القالب – ما يصل إلى 10 أسابيع.
قامت جنرال موتورز أيضًا بدمج أجزاء مطبوعة ثلاثيًا، بما في ذلك اثنين من قنوات التهوية وحامل حزمة كهربائية، في سيارات كاديلاك CT4-V وCT5-V بلاك وينغ. في أكتوبر 2022، أعلنت عن أكثر مشروع طموح حتى الآن: سيارة كاديلاك CELESTIQ EV بقيمة 300,000 دولار، والتي ستستخدم على نطاق واسع التصنيع الإضافي للمعادن لتخصيصات حسب الطلب.
(GM
)
وفقًا لتقاريرها التقرير السنوي للسنة المالية التي انتهت في 31 ديسمبر 2023، أفادت جنرال موتورز بإيرادات قدرها 171.8 مليار دولار، وصافي دخل مخصص للمساهمين قدره 10.1 مليار دولار، وربح قبل الفوائد والضرائب المعدل (EBIT) قدره 12.4 مليار دولار.
3. Daimler Truck
Daimler Truck Holding AG هي واحدة من أكبر مصنعي المركبات التجارية في العالم. مع أكثر من 40 موقع إنتاج حول العالم وأكثر من 100,000 موظف، تقدم شاحنات خفيفة ومتوسطة وثقيلة، حافلات داخل المدن وبين المدن، حافلات سياحية، وهياكل حافلات.
تدعي الشركة أنها استفادت بشكل كبير من تقنيتها المبتكرة تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. إن خبرتها التي تقارب 30 عامًا في بناء نماذج أولية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد قد انتقلت الآن إلى الإنتاج الضخم مع معايير جودة عالية. باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن لقسم الحافلات في دايملر الاستجابة بسرعة ومرونة واقتصادية وبيئية لمتطلبات العملاء العاجلة، بما في ذلك إنتاج مكونات خاصة مثل الأغطية والمقابض ومجموعة واسعة من الدعامات الفردية.
بدأ “مركز الكفاءة للطباعة ثلاثية الأبعاد”” في دايملر في عام 2019 بفحص أكثر من 300,000 قطعة غيار حافلات حالية لتقييم مدى ملاءمتها للطباعة ثلاثية الأبعاد. تمتلك الشركة الآن جناحًا كاملاً لحلول التصنيع الإضافي Additive Manufacturing Solutions أدى إلى تقليل وقت الشراء حتى 80%، وتحديد أكثر من 7,000 مكون محتمل للطباعة ثلاثية الأبعاد، وتكوين مجموعة من أكثر من 400 قطعة غيار معتمدة يمكن طباعتها ثلاثيًا.
وفقًا لرافيل أندرهوفشتات، رئيس مركز الكفاءة للتصنيع الإضافي، ورشة الطباعة والإعلام في دايملر بوس، فإن أنشطة الشركة في مجال التصنيع الإضافي، “الإمكانات الهائلة للتقنية على طول سلسلة القيمة أصبحت واضحة خطوة بخطوة.” “حسب رأي رالف، تتراوح فرص دايملر وأعماله وعملائه من إمكانات توفير التكاليف إلى نماذج أعمال جديدة.”
في عام 2023، أفادت دايملر تراك بـ إيرادات قدرها 55,890 مليون يورو، وهو زيادة ملحوظة عن رقم 2022 البالغ 50,945 مليون يورو.
نظرة مستقبلية
الرأي ما زال منقسمًا بشأن ما إذا كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد ستحل بالكامل محل تصنيع السيارات في المستقبل. وفقًا لروبرت ويلج، المدير التنفيذي، الرئيس التنفيذي، SME، قد لا يكون هناك “مصنع ضخم يضم سوى الطابعات”.
ومع ذلك، وفقًا للوك سيزينجر، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي للعمليات في Divergent Technologies، الذي يعمل حاليًا مع ستة صانعي سيارات، بما في ذلك مرسيدس-بنز، أستون مارتن، بوجاتي، وماكلارين، تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد، خاصةً مكونات التعليق والدعامات، حيث يمكن لخصائص المواد المطبوعة ثلاثيًا تحسين أداء السيارات الكهربائية.
“قصة السيارات الكهربائية جذابة من حيث المدى. إذا استطعت توفير 20% إلى 30% من الوزن في هيكل الشاسيه، يمكنك إما زيادة المدى أو تقليل حجم الحزمة. عادةً ما تكون هذه الفوائد ذات معنى كبير لربحية هذه السيارات منخفضة التكلفة. ثم لديك أيضًا جانب الاستدامة. إذا قمت بصنع مركبة أخف وزنًا، ستقلل من تآكل الإطارات، وستستخدم أقل من الألمنيوم، وستنتج أقل من ثاني أكسيد الكربون في عملية التصنيع.”
– Czinger
يعتقد الباحثون أن قوة الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع السيارات تكمن في قدرتها على القضاء على استخدام المواد الزائدة وبالتالي النفايات غير الضرورية، وكذلك الحاجة إلى طرق نقل طويلة ومساحات تخزين، مما يقلل بشكل كبير من الأثر البيئي.
باختصار، إنها طريقة تصنيع مستدامة واعدة. ومع ذلك، سيتعين عليها معالجة بعض العقبات لتصبح ناجحة حقًا. على سبيل المثال، يجب أن تضمن سيطرة جيدة على جودة المنتج. يجب أن تقضي على الحاجة إلى عمليات ما بعد المعالجة المفرطة، وتحسين حجم الإنتاج، ومعالجة نقص المعايير.
لتطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد بنجاح في صناعة السيارات، يلزم وجود عمليات ومواد موحدة. قد تعيق عدم وجود معايير عالمية التوافق بين مختلف الطابعات ثلاثية الأبعاد والبرمجيات، مما يجعل من الصعب تحقيق نفس الأداء حتى تحت نفس معلمات العملية.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.
