Er 3D‑printede biler mulige? Nye udviklinger kaster lys over svaret

3D‑printning har fanget fantasien hos en række industrier verden over. Også kendt som additiv fremstilling, er 3D‑printning med rette blevet kaldt en af de mest afgørende teknologier i vores tid. I modsætning til traditionelle fremstillingsteknologier er det en metode, der kan bygge 3D‑objekter af næsten enhver art i lag. For at opnå dette udnytter teknologien computer‑aided design (CAD) og en bred vifte af materialer, såsom metal, plast, beton eller papir.

Den alsidighed, den giver producenter, der arbejder globalt for at optimere omkostninger og tid i deres produktionsflow, gør den til en fremragende kandidat for eksponentiel adoption inden for kort tid. Ifølge estimater kan den globale størrelse af markedet for 3D‑print‑produkter og -tjenester vokse fra US$12,6 milliarder i 2020 til US$37,2 milliarder i 2026. I 2030 kan antallet af additiv fremstillings‑ og 3D‑print‑enheder verden over nå 2,8 millioner.

En så kraftig vækst ville gøre 3D‑printning praktisk talt allestedsnærværende. Derfor spørger alle: Kan 3D‑printning blive egnet til bilsektoren, en industri hvor fremstillingspræcision er enormt værdsat? Mere direkte, er det muligt at 3D‑print biler? Vi vil diskutere mulighederne i de kommende afsnit.

Klik her for at lære, hvorfor 3D‑printning er et potentielt $500 mia marked.

Tohoku Universitets gennembrud i multi‑material 3D‑printteknik

Universitetets Institut for Materialeforskning og New Industry Creation Hatchery Center opnåede noget banebrydende. Forskerne demonstrerede processen for at skabe en let, men holdbar bildel gennem en multi‑material 3D‑printteknik. 

Kilde: Tohuku University

Her skal vi se nærmere på fænomenet med multi‑material 3D‑printteknikker. Multi‑material strukturer, som navnet antyder, kombinerer strategisk forskellige materialer for optimal ydeevne af en komponent. Endnu vigtigere er, at de kan fremstilles gennem 3D‑printning.

Mens han forklarede fremkomsten af denne teknik, sagde lektor Kenta Yamanaka fra Tohoku University:

“Multi‑materialer er et varmt emne inden for additiv fremstilling på grund af deres procesfleksibilitet.”

Han nævnte dog også de begrænsninger, teknologien har. Ifølge ham:

“For visse metal‑kombinationer, såsom stål og aluminium, kan skrøbelige intermetallic‑forbindelser dannes ved grænsefladerne mellem de forskellige metaller. Så selvom materialet nu er lettere, ender det med at blive mere skrøbeligt.”

Det mest relevante aspekt af denne forskning var, at forskerne forsøgte at løse dette flaskehals ved at producere en stål‑aluminium‑legering, som – på trods af sin letvægt – ikke gik på kompromis med styrken. 

Målet blev opnået ved at anvende Laser Powder Bed Fusion (L‑PBF), en af de primære metal‑3D‑printteknologier, der bruger en laser til selektivt at smelte metalpulver.  Forskerne fandt ud af, at en forøgelse af laserskanningshastigheden væsentligt kunne undertrykke dannelsen af skrøbelige intermetallic‑forbindelser (såsom Al5Fe2 og Al13Fe4). De foreslog, at denne højere skanningshastighed kunne føre til såkaldt ikke‑ligevægtig solidifikation, som minimerede opløsningspartitionering, der resulterede i svage punkter i materialet. Det ultimative resultat var et produkt med stærke bindingsgrænseflader. 

Når man uddyber værdien af at forstå denne in‑situ legeringsmekanisme, sagde assisterende professor Seungkyun Yim fra Tohoku University:

“Med andre ord, du kan ikke bare smide to metaller sammen og forvente, at de holder uden en plan.”

Selvom Tohoku‑universitetets forskningsresultater kan lyde tekniske og abstrakte, har de store implikationer for den praktiske bilproduktion. Sammenfattende kunne forskerne prototype verdens første fuldskala automotive multi‑material komponent (en ophængstårn) med en skræddersyet geometri. Fremadrettet kan resultaterne potentielt påvirke andre metal‑kombinationer, hvor lignende bindingsproblemer skal forbedres. 

Selvom denne forskning åbner nye horisonter for bilindustrien, er brugen af 3D‑printning i dette område ikke ny.

Klik her for at lære, hvordan 3D‑printning konsolideres i fremtidens fremstilling.

3D‑printning for hurtigere prototyper og redesignede komponenter eller dele

Industrieksperter siger, at 3D‑printning allerede er blevet brugt til at fremskynde prototype‑fremstilling, redesigne udvalgte dele og komponenter og endda erstatte dem. Men med tiden er brugen af 3D‑printning flyttet ud over det oprindelige område til også at omfatte fremstilling af prototyper og produktion af lav‑volumen, tilpassede 3D‑printede trim‑dele i nogle nuværende køretøjer. 

Ifølge Robert Wilig, administrerende direktør, CEO, SME, tidligere Society of Manufacturing Engineers:

“Efterhånden som bilindustrien bevæger sig mod mere letvægts‑fokuserede hybride eller endda elektrificerede køretøjsplatforme, spiller additiv fremstilling så godt ind, fordi den muliggør virkelig effektive måder at skabe effektive designs på.”

I stedet for tre dele, som måske var kravet tidligere, gør 3D‑printning det nu muligt at optimere designet til et enkelt stykke, hvor materialet kun placeres, hvor det er nødvendigt, for at gøre det lettere, stærkere og mere fleksibelt.

Ifølge Dallas Martin, additive manufacturing‑ingeniør hos Toyota Motor North America (TM ) :

“Integration af 3D‑printning i værktøjs‑ og jig‑fremstilling har forbedret produktionslinjens effektivitet og fleksibilitet.”

En gennemgang af forskningen udført på dette område indtil nu antyder, at 3D‑printning kan revolutionere bilindustrien ved at gøre designs mere fleksible, prototyper hurtigere og affaldsreduktion mere effektiv. Dette kan opnås ved at holde produktionen letvægtig. Forskerne citerede disse grunde som drivkræfter bag bilproducenternes stigende investering i AM‑teknikker.

Mens vi i de kommende afsnit vil udforske nogle banebrydende virksomheder, der er aktive på dette område, har forskere påpeget flere muligheder for AM i bæredygtige og grønne løsninger, især i videreudvikling af batterisystemer og elbiler. 3D‑printning kan vise sig nyttig til at generere varmebestandige batterifæste, der forbedrer varmeafledning og batterikøling. Det ses også som en lovende løsning til fremstilling af fast‑state lithium‑batterier.

I de kommende afsnit vil vi se på brugstilfælde, hvor velkendte bilproducenter udvikler effektive løsninger.

1. Toyota

I juli 2024 kom der rapporter om, at Toyota introducerede Hyper‑F konceptbiler med 3D‑printede dele. En veteran på dette område, Toyota, gennem TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — allerede involveret i produktion af køretøjs‑tilbehør til forskellige Toyota‑modeller — afslørede et højtydende SUV‑koncept med 3D‑printede dele og banebrydende materialer. Dette var kun muligt gennem samarbejde med de japanske virksomheder Mitsui Chemicals og ARRK Corporation. 

Rapporter antyder, at Toyotas Hyper‑F konceptbil er baseret på Toyota Fortuner, udviklet af TCD Asia. Ved at udnytte Mitsui Chemicals’ avancerede tekniske ekspertise brugte Toyota 3D‑printning med pellets til at producere dele fra plastgranulat til lave omkostninger, hvilket reducerede udviklingstider og investeringsomkostninger.

Virksomheden hævdede, at disse 3D‑printede dele er særligt stabile og klar til at blive printet i store formater. For Toyota Hyper‑F konceptbilen pryder 3D‑printede komponenter motorhjelmens luftindtagspaneler.

Før dette blev det også rapporteret, at Toyota havde samarbejdet med Solize, en partner inden for global produktudviklings‑ingeniørarbejde og leverandør af ingeniørtjenester, for at print 3D‑reservebildele på efterspørgsel. Mere specifikt brugte Toyota multi‑jet fusion 3D‑printning til at skabe lagerdele, før de blev solgt sammen med traditionelt producerede reservedele. En anden global teknologigigant, HP, leverede printerne til Toyota.

Mens han talte om bilindustriens interesse for at udnytte 3D‑printning, sagde Nobuki Okado, MD hos HP Japan:

“Hver dag ser vi en voksende tiltrækning og mere modne 3D‑printede anvendelser på tværs af mange forskellige industrier globalt, især i bilsektoren. Ledende bilproducenter som Toyota Motor Corporation demonstrerer kraften i 3D‑printning for fleksibelt design, hurtig markedsindtræden og bæredygtig påvirkning.”

Udover HP har Toyota udnyttet flere andre virksomheders løsninger for at finjustere og forbedre deres 3D‑biltilbud. For eksempel har virksomheden arbejdet med Materialise for at udvikle et ultralet 3D‑printet bilsæde. Den har investeret i teknologiens F&U ved at med‑udvikle Somos Taurus sammen med DSM, et materiale, der siges at være ideelt til bilapplikationer med sin meget effektive 95 °C varme‑deflektions‑temperatur. Virksomheden har fået 3D‑print‑afdelingen opkaldt efter sig på University of Waterloo. 

I maj 2024 officerede Toyota Motor Corporation sin FY 2024‑rapport for perioden 1. april 2023 til 31. marts 2024. Virksomheden registrerede en omsætning på 45 095 325 millioner yen og en driftsindtægt på 5 352 934 millioner yen. 

2. General Motors

I 2022, måske den mest kendte bilproducent i verden gik ud over prototyper og lav‑volumen dele i sin brug af 3D‑printning eller additiv fremstilling. Den største bilproducent i USA printer specialværktøjer til fabriksoperatører, hvilket gør deres arbejde sikrere og mere produktivt. 

GM’s forhold til 3D‑printning går tilbage til 1989, da de installerede en tidlig 3D‑printer, en stereolitografi‑maskine med serienummer “3”, i Warren (Michigan) Tech Center‑campus nær Detroit.

Ifølge Ali Shabbir, engineering group manager hos GM for industrialisering af additiv fremstilling:

“Da teknologien, materialestyrkerne og tilgængeligheden af metaller virkelig begyndte at tage fart, sagde ledelsen: ‘Ved I hvad, dette er noget, vi virkelig skal holde øje med, så lad os samle et lille team til at udforske, hvad der kan gøres.'”

I 2019 åbnede GM sit Additive Innovation Lab (AIL), en 4.000 sq. ft. facilitet i Cole Engineering Center i Global Technical Center. 

Ifølge Ali Shabbir var dette laboratorium kronjuvelen i GM’s additiv uddannelsesprogram. Det var et DIY‑makerspace og læringscenter, hvor medarbejdere kunne lære at designe, opsætte additive builds og efterbehandle dele.

Blandt de mange eksempler på, at GM med succes har implementeret 3D‑printning eller additiv fremstilling i bilindustrien, skiller nogle sig ud. For eksempel, i 2020, printede virksomheden 75 % af delene til sin ikke‑operationelle prototype (ikke produktionskøretøjet) af den første 2020 Chevy C8 Corvette, så ingeniører kunne studere den endelige samlingsproces og identificere produktionsudfordringer.

Det år producerede virksomheden racingsæson‑additive dele til Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro og Silverado‑raceteams. 

I 2021, gennem sit partnerskab med  GKN Additive Forecast 3D, printede virksomheden 60 000 fleksible “spoiler closeout seals”“ for at færdiggøre 30 000 Chevrolet Tahoe SUV’er på fem uger. Den traditionelle produktionsmetode – injektionsstøbning – kunne have taget så meget som 10 uger. 

GM indarbejdede også 3D‑printede dele, herunder to HVAC‑kanaler og en elektrisk ledningsholder, i Cadillac CT4‑V og CT5‑V Blackwing‑køretøjer. I oktober 2022 annoncerede de det mest ambitiøse indtil nu: $300 000 Cadillac CELESTIQ EV, som i høj grad vil bruge metal‑additiv fremstilling til skræddersyede tilpasninger.

Ifølge deres årsrapport for regnskabsåret, der sluttede den 31. december 2023, rapporterede GM en omsætning på $171,8 mia, en nettoindkomst til aktionærer på $10,1 mia og en EBIT‑justeret på $12,4 mia.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) er en af verdens største kommercielle køretøjsproducenter. Med over 40 produktionssteder verden over og mere end 100 000 ansatte tilbyder de lette, mellem‑ og tung‑lastbiler, by‑ og intercity‑busser, coach‑busruter og bus‑chassiser.

Virksomheden hævder, at de har haft enormt udbytte af deres innovative 3D‑printningsteknologi. Deres næsten 30‑årige erfaring med 3D‑printning af prototyper er nu overført til serieproduktion med høje kvalitetsstandarder. Ved at bruge 3D‑printning kan Daimlers busdivision hurtigt, fleksibelt, økonomisk og miljømæssigt reagere på akutte kundekrav, herunder produktion af specialkomponenter såsom dæksler, håndtag og en bred vifte af individuelle beslag.

Daimlers “Centre of Competence for 3D Printing” begyndte i 2019 at undersøge over 300 000 aktuelle bus‑reservedele i detaljer for deres egnethed som 3D‑printede dele. Virksomheden har nu en fuldt udbygget Additive Manufacturing Solutions‑afdeling, som har ført til op til 80 % reduktion i indkøbstid, identificeret over 7 000 potentielle 3D‑print‑komponenter og udarbejdet en portefølje på over 400 godkendte reservedele, der kan 3D‑printes. 

Ifølge Ralf Anderhofstadt, leder af Centre of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media hos Daimler Buses, har virksomhedens aktiviteter inden for additiv fremstilling gjort den “immense potentiale af teknologien langs hele værdikæden blevet tydeligt trin for trin.”“ Som Ralf ser det, spænder mulighederne for Daimlers forretning, såvel som for deres kunder, fra besparelsespotentiale til nye forretningsmodeller. 

I 2023 rapporterede Daimler Truck en omsætning på 55 890 millioner euro, en betydelig stigning i forhold til 2022‑tallet på 50 945 millioner euro. 

Fremtidsudsigten

Meningen er stadig delt om, hvorvidt 3D‑printning fuldstændigt vil overtage bilproduktion i fremtiden. Ifølge Robert Willig, administrerende direktør, CEO, SME, tidligere Society of Manufacturing Engineers, er der måske ikke en ‘gigantisk fabrik med andet end printere.’

Dog, ifølge Luke Czinger, medstifter og COO for Divergent Technologies, som i øjeblikket arbejder med seks bilproducenter, herunder Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti og McLaren, anvender 3D‑printning primært ophængs‑ og forstærkningskomponenter; egenskaberne ved 3D‑printede materialer kan forbedre ydeevnen for elbiler.

“EV‑historien er overbevisende for rækkevidde. Hvis du kan spare 20 % til 30 % af massen på din chassis‑struktur, kan du enten øge rækkevidden eller reducere pakkestørrelsen. Typisk for disse lavpris‑EV’er er det virkelig meningsfuldt for rentabiliteten af den forretning. Så har du også bæredygtighedsaspektet. Hvis du laver et lettere køretøj, får du mindre dæk‑slitage, men du bruger også mindre aluminium, mindre CO₂ i fremstillingsprocessen.”

– Czinger

Forskerne mener, at styrken ved 3D‑printning i bilproduktion er, at den kan eliminere brugen af overskydende materiale og dermed unødvendigt affald, samt behovet for lange transport‑ og lagerområder, hvilket i høj grad reducerer miljøpåvirkningen. (MBG.DE )

Sammenfattende er det en lovende bæredygtig fremstillingsmetode. Dog skal den håndtere flere flaskehalse for at blive virkelig succesfuld. For eksempel skal den have god kontrol over produktkvalitet, eliminere behovet for omfattende efterbehandling, forbedre produktvolumen og tage hånd om manglen på standarder.

For en vellykket anvendelse af 3D‑printning i bilindustrien er standardiserede processer og materialer nødvendige. Manglen på universelle standarder kan hæmme interoperabiliteten mellem forskellige 3D‑printere og software, hvilket gør det svært at opnå samme ydeevne selv under identiske procesparametre.

Klik her for en liste over top‑additiv fremstillings‑ og 3D‑printningsaktier.