Ovatko 3D‑tulostetut autot mahdollisia? Uudet kehitykset valaisevat vastausta

3D‑tulostus on vanginnut mielikuvituksen monilla teollisuudenaloilla maailmanlaajuisesti. Myös lisäainevalmistuksena tunnettu 3D‑tulostus on ansainnut oikeutetusti paikkansa yhtenä aikamme merkittävimmistä teknologioista. Toisin kuin perinteiset valmistustekniikat, se on menetelmä, joka pystyy rakentamaan lähes minkä tahansalaisia 3D‑objekteja kerroksittain. Tämän saavuttamiseksi teknologia hyödyntää tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) ja laajaa materiaalivalikoimaa, kuten metallia, muovia, betonia tai paperia.

Sen monipuolisuus, jonka se tuo globaaleille valmistajille kustannus- ja aikatehokkuuden optimoimiseksi tuotantovirroissa, tekee siitä erinomaisen ehdokkaan nopeaan omaksumiseen. Arvioiden mukaan 3D‑tulostustuotteiden ja -palveluiden maailmanlaajuinen markkinakoko voisi kasvaa US$12,6 miljardista vuonna 2020 US$37,2 miljardiin vuonna 2026. Vuoteen 2030 mennessä lisäainevalmistuksen ja 3D‑tulostuslaitteiden määrä maailmanlaajuisesti voisi saavuttaa 2,8 miljoonaa.

Such strong growth would make 3D printing practically ubiquitous. Therefore, everyone is asking: Can 3D printing become suitable for the auto sector, an industry where manufacturing precision is immensely valued and cherished? To put it more directly, is it possible to 3d-print cars? We will discuss the possibilities in the segments to come.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, miksi 3D‑tulostus on potentiaalinen $500 miljardin markkina.

Tohoku-yliopiston läpimurto monimateriaalisen 3D‑tulostustekniikan alalla

Yliopiston Materiaalitutkimuksen ja Uuden Teollisuuden Luomisen Inkubaattorikeskus saavutti huipputason. Tutkijat osoittivat prosessin kevyen mutta kestävän auton osan luomiseksi monimateriaalisen 3D‑tulostustekniikan avulla. 

Lähde: Tohuku University

Tässä meidän täytyy tarkastella monimateriaalisten 3D‑tulostustekniikoiden ilmiötä tarkemmin. Monimateriaalirakenteet, kuten nimi kertoo, yhdistävät strategisesti erilaisia materiaaleja komponentin optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Vielä tärkeämpää on, että ne voidaan luoda 3D‑tulostuksen avulla.

Kenta Yamanaka, associate professor Tohoku-yliopistosta, sanoi:

“Monimateriaalit ovat kuuma aihe lisäainevalmistuksen alalla prosessinsä joustavuuden vuoksi.”

Kuitenkin hän mainitsi myös teknologian rajoitukset. Hänen mukaansa:

“Tietyissä metalliyhdistelmissä, kuten teräs ja alumiini, hauraat intermetalliset yhdisteet voivat muodostua erilaisten metallien rajoilla. Joten vaikka materiaali on nyt kevyempi, se muuttuu hauraammaksi.”

Tutkimuksen merkittävin osa-alue oli, että tutkijat pyrkivät ratkaisemaan tämän pullonkaulan tuottamalla teräs‑alumiini‑seosta, joka – kevyestä huolimatta – ei heikennä vahvuutta. 

Tavoite saavutettiin käyttämällä Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) -tekniikkaa, joka on yksi keskeisimmistä metallisen 3D‑tulostuksen teknologioista ja käyttää laseria metallijauheiden valikoivaan sulattamiseen.  Tutkijat havaitsivat, että laserin skannausnopeuden lisääminen voi merkittävästi estää hauraiden intermetallisten yhdisteiden (kuten Al5Fe2 ja Al13Fe4) muodostumista. He ehdottivat, että tämä korkeampi skannausnopeus voisi johtaa niin kutsuttuun ei‑tasapainoon jähmettymiseen, mikä minimoi liuoksen jakautumisen ja vähentää materiaalin heikkoja kohtia. Lopullinen tulos oli tuote, jossa oli vahvat liitosrajat. 

Selittäessään tämän in‑situ seostusmekanismin arvon, apulaisprofessori Seungkyun Yim Tohoku-yliopistolta sanoi:

“Toisin sanoen, et voi vain lyödä kahta metallia yhteen ja odottaa niiden pysyvän kiinni ilman suunnitelmaa.”

Vaikka Tohoku-yliopiston tutkijoiden löydökset saattavat kuulostaa teknisiltä ja korkeatasoisilta, niillä on suuria vaikutuksia autonvalmistuksen soveltavassa kentässä. Yhteenvetona, tutkijat pystyivät prototypoimaan maailman ensimmäisen täysikokoisen auton monimateriaalisen komponentin (jousitustorni) räätälöidyllä geometrialla. Tulevaisuudessa löydökset voisivat vaikuttaa muihin metalliyhdistelmiin, joissa samankaltaiset liitosongelmat tarvitsevat parannusta. 

Vaikka tämä tutkimus avaa uusia horisontteja autoteollisuudelle, 3D‑tulostuksen käyttö tällä alalla ei ole uusi.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, miten 3D‑tulostus vakiintuu valmistuksen tulevaisuuteen.

3D‑tulostus nopeampiin prototyyppeihin ja uudelleensuunniteltuihin komponentteihin tai osiin

Teollisuusasiantuntijat sanovat, että 3D‑tulostusta on jo käytetty prototyyppien luomisen nopeuttamiseen, valittujen osien ja komponenttien uudelleensuunnitteluun ja jopa niiden korvaamiseen. Ajan myötä 3D‑tulostuksen käyttö on laajentunut alkuperäisestä alueestaan prototyyppien valmistukseen ja pienivarastoisien, räätälöityjen 3D‑tulostettujen sisustuselementtien tuottamiseen joissakin nykyisissä ajoneuvoissa. 

Robert Wiligin, toimitusjohtajan ja toimitusjohtajan, mukaan SME, entinen Society of Manufacturing Engineers:

“Kun autoteollisuus siirtyy kohti kevyempiä, hybridi- tai jopa sähköisiä ajoneuvoalustoja, lisäainevalmistus sopii tähän erinomaisesti, koska se mahdollistaa todella tehokkaat tavat luoda optimoituja suunnitelmia.”

Sen sijaan, että tarvittaisiin kolme osaa, kuten aiemmin saattoi olla, 3D‑tulostus mahdollistaa nyt suunnittelun optimoimisen yhdeksi kappaleeksi, sijoittamalla materiaalia vain sinne, missä sitä tarvitaan, jotta se on kevyempi, vahvempi ja joustavampi.

Dallas Martinin, lisäainevalmistuksen insinöörin, mukaan Toyota Motor North America:

“3D‑tulostuksen integrointi työkalu‑ ja jig‑valmistukseen on parantanut tuotantolinjan tehokkuutta ja joustavuutta.”

Tähän mennessä tällä alalla tehty tutkimuskatsaus viittaa siihen, että 3D‑tulostus voisi mullistaa autoteollisuuden tekemällä suunnitelmista joustavampia, prototyyppien valmistuksesta nopeampaa ja jätteen vähentämisestä tehokkaampaa. Tämä voitaisiin saavuttaa pitämällä tuotanto kevyenä. Tutkijat mainitsivat nämä syyt ajureina, jotka saavat autonvalmistajat investoimaan yhä enemmän AM‑tekniikoihin.

Vaikka tarkastelemme tulevissa osioissa muutamia alansa edelläkävijöitä, tutkijat ovat huomauttaneet lisää mahdollisuuksia AM:lle kestävissä ja vihreissä ratkaisuissa, erityisesti akkujärjestelmien ja sähköautojen edistämisessä. 3D‑tulostus voisi olla hyödyllinen lämmönkestävien akkuasennusten tuottamisessa, jotka parantavat lämmönpoistoa ja akkujen jäähdytystä. Sitä pidetään myös lupaavana ratkaisuna kiinteän tilan litiumakkujen valmistuksessa.

Tulevissa osioissa tarkastelemme käyttötapauksia, joissa tunnetut autonvalmistajat kehittävät tehokkaita ratkaisuja.

1. Toyota (TM )

Heinäkuussa 2024 raporttien mukaan Toyota esitteli Hyper‑F‑konseptiautoja, joissa on 3D‑tulostettuja osia. Alalla kokenut Toyota, TCD Asia (Toyota Customizing & Development) -yksikön kautta, joka on jo mukana erilaisten Toyota‑mallien ajoneuvotarvikkeiden tuotannossa, lanseerasi korkean suorituskyvyn SUV‑konseptin, jossa on 3D‑tulostettuja osia ja huipputeknisiä materiaaleja. Tämä oli mahdollista yhteistyönä japanilaisten yritysten Mitsui Chemicals ja ARRK Corporation kanssa. 

Raporttien mukaan Toyotan Hyper‑F‑konseptiauto perustuu Toyota Fortuner -malliin, jonka on kehittänyt TCD Asia. Hyödyntäen Mitsui Chemicalsin edistynyttä teknistä osaamista, Toyota käytti 3D‑tulostusta pelletien avulla tuottaakseen osia muovigraniileista alhaisilla kustannuksilla, mikä lyhensi kehitysaikoja ja investointikustannuksia.

Yritys väitti, että nämä 3D‑tulostetut osat ovat erityisen vakaita ja valmiita suurikokoisten osien tulostamiseen. Toyota Hyper‑F -konseptiautossa 3D‑tulostetut komponentit koristavat moottorin suodattimen ilmanohjauslevyjen paneeleja.

Ennen tätä Toyota on myös raportoitu tehneen yhteistyötä Solize, globaalin tuotekehityksen insinööriyrityksen ja insinööripalveluiden tarjoajan, tulostamaan 3D‑varusteosia kysynnän mukaan. Tarkemmin sanottuna Toyota käytti multi‑jet fusion ‑3D‑tulostusta varastointiosien luomiseen ennen niiden myyntiä perinteisesti tuotettujen varaosien rinnalla. Toinen globaali teknologiayritys, HP, toimitti tulostimet Toyotalle.

Kun puhutaan autonvalmistusteollisuuden kiinnostuksesta hyödyntää 3D‑tulostusta, HP Japanin MD Nobuki Okado sanoi:

“Joka päivä näemme kasvavaa kiinnostusta ja yhä kypsämpiä 3D‑tulostettuja sovelluksia monilla eri teollisuudenaloilla maailmanlaajuisesti, erityisesti autoteollisuudessa. Johtavat autonvalmistajat, kuten Toyota Motor Corporation, esittelevät 3D‑tulostuksen voimaa joustavassa suunnittelussa, markkinoille pääsyn nopeudessa ja kestävän vaikutuksen saavuttamisessa.”

HP:n lisäksi Toyota on hyödyntänyt useiden muiden yritysten ratkaisuja hienosäätääkseen ja parantaakseen 3D‑autoteollisuuden tarjontaansa. Esimerkiksi yritys on työskennellyt Materialisen kanssa kehittääkseen erittäin kevyen 3D‑tulostetun autonistuimen. Se on investoinut teknologian T&K:hon kehittämällä yhdessä DSM:n kanssa Somos Taurus ‑materiaalin, jonka sanotaan olevan ihanteellinen auton sovelluksiin sen erittäin tehokkaan 95 °C lämmönkestävyyslämpötilan vuoksi. Yrityksellä on 3D‑tulostusosasto nimeltään University of Waterloo. 

Maaliskuussa 2024 Toyota Motor Corporation julkaisi tilikauden 2024 (1. huhtikuuta 2023 – 31. maaliskuuta 2024) raporttinsa. Yritys rekisteröi liikevaihdoksi 45 095 325 miljoonaa jeniä ja liiketulokseksi 5 352 934 miljoonaa jeniä. 

2. General Motors (GM )

Vuonna 2022, ehkä maailman tunnetuin autonvalmistaja käytti 3D‑tulostusta tai lisäainevalmistusta prototyyppien ja pienivolyymien osien lisäksi. Yhdysvaltojen suurin autonvalmistaja tulostaa räätälöityjä työkaluja tehtaan työntekijöille, tehden heidän työnsä turvallisemmaksi ja tuottavammaksi. 

General Motorsin suhde 3D‑tulostukseen ulottuu vuoteen 1989, jolloin se asensi varhaisen 3D‑tulostimen, stereolitografia‑koneen, sarjanumerolla “3”, Warren (Michigan) Tech Center ‑keskukselle Detroitin lähellä.

Ali Shabbirin, GM:n insinööriryhmän johtajan, mukaan lisäainevalmistuksen teollistamisen osalta:

“Kun teknologia, materiaalien vahvuudet ja metallien saatavuus alkoivat todella edistyä, johtajat sanoivat: ‘Tiedätkö, tämä on jotain, johon meidän täytyy kiinnittää huomiota, joten laitetaan pieni tiimi tutkimaan, mitä voitaisiin tehdä.'”

Vuonna 2019 GM avasi Additive Innovation Labin (AIL), 4 000 neliöjalan tilan Cole Engineering Centerissä Global Technical Centerissä.

Ali Shabbirin mukaan tämä laboratorio oli GM:n lisäainevalmistuksen koulutusohjelman kruununjalokivi. Se oli tee‑se‑itse ‑maker‑tila ja oppimiskeskus, jossa työntekijät voivat oppia suunnittelemaan ja toteuttamaan lisäainevalmistuksen rakennuksia ja jälkikäsittelemään osia.

Monien GM:n 3D‑tulostuksen tai lisäainevalmistuksen menestyksekkäiden käyttötapauksien joukossa muutama erottuu. Esimerkiksi vuonna 2020 yritys 3D‑tulosti 75 % osista ei‑toiminnallisesta prototyypistä (ei tuotantomallista) ensimmäisestä 2020 Chevy C8 Corvette ‑mallista, mahdollistaen insinööreille lopullisen kokoonpanoprosessin tutkimisen ja tuotantahaasteiden tunnistamisen.

Samaan vuoteen GM valmisti kilpakauden lisäaineosat Corvette C8.R:lle, INDYCAR:lle, NASCAR Camaro:lle ja Silverado‑kilpatiimeille.

Vuonna 2021, yhteistyössään GKN Additive Forecast 3D:n kanssa, yritys 3D‑tulosti 60 000 joustavaa “spoiler closeout seal” ‑tiivistettä, jotta 30 000 Chevrolet Tahoe ‑SUV:ta saatiin valmiiksi viidessä viikossa. Perinteinen tuotantotapa – ruiskupuristus – olisi voinut kestää jopa 10 viikkoa.

GM sisällytti myös 3D‑tulostettuja osia, kuten kaksi HVAC‑kanavaa ja sähkökaapelin pidikkeen, Cadillac CT4‑V‑ ja CT5‑V Blackwing ‑ajoneuvoihin. Lokakuussa 2022 se ilmoitti kaikkein kunnianhimoisimmasta: $300 000 Cadillac CELESTIQ EV, joka käyttäisi laajasti metallista lisäainevalmistusta räätälöityihin tilauksiin.

Sen vuosikertomuksen mukaan, joka kattoi tilikauden, joka päättyi 31. joulukuuta 2023, GM raportoi liikevaihdoksi 171,8 miljardia dollaria, osakkeenomistajille kohdistuvaksi nettotulokseksi 10,1 miljardia dollaria ja EBIT‑säädettyä 12,4 miljardia dollaria.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG on yksi maailman suurimmista hyötyajoneuvojen valmistajista. Yli 40 tuotantolaitoksella maailmanlaajuisesti ja yli 100 000 työntekijällä se tarjoaa kevyitä, keskikokoisia ja raskaita kuorma-autoja, kaupunkibusseja, kaupunkienvälisiä busseja, linja-autoja ja bussirakenteita.

Yritys väittää hyötyneensä valtavasti innovatiivisesta 3D‑tulostusteknologiasta. Lähes 30 vuoden kokemus 3D‑tulostuksen prototyyppirakentamisesta on nyt siirretty sarjatuotantoon korkeiden laatuvaatimusten kanssa. Käyttämällä 3D‑tulostusta Daimlerin bussiosasto voi nopeasti, joustavasti, taloudellisesti ja ympäristöystävällisesti vastata kiireellisiin asiakasvaatimuksiin, mukaan lukien erikoisosien, kuten suojusten, kahvojen ja monenlaisten yksilöllisten kiinnikkeiden, tuotanto.

Daimlerin “Centre of Competence for 3D Printing” aloitti yli 300 000 nykyisen bussivaraston varaosien tarkastelun niiden soveltuvuuden osalta 3D‑tulostettaviksi osiksi vuonna 2019. Yrityksellä on täysimittainen Additive Manufacturing Solutions ‑osasto, jonka ansiosta on saavutettu jopa 80 % lyhennys hankintaaikaan, tunnistettu yli 7 000 potentiaalista 3D‑tulostettavaa komponenttia ja luotu yli 400 hyväksyttyä varaosaa, jotka voidaan 3D‑tulostaa. 

Ralf Anderhofstadtin, Daimler Busesin Center of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media -osaston johtajan, mukaan yrityksen toiminta lisäainevalmistuksen alalla, “teknologian valtava potentiaali koko arvoketjussa on tullut ilmi askel askeleelta.” “Ralfin mukaan mahdollisuudet Daimlerin liiketoiminnalle sekä sen asiakkaille vaihtelevat säästömahdollisuuksista uusiin liiketoimintamalleihin.” 

Vuonna 2023 Daimler Truck raportoi liikevaihdoksi 55 890 miljoonaa euroa, mikä on merkittävä kasvu vuoden 2022 lukuun 50 945 miljoonaa euroa verrattuna. 

Tulevaisuuden näkymä

Mielipiteet ovat edelleen jakautuneet siitä, korvaaako 3D‑tulostus kokonaan autonvalmistuksen tulevaisuudessa. Robert Willigin, toimitusjohtajan ja CEO:n, SME:n (entinen Society of Manufacturing Engineers) mukaan, ei välttämättä tule olemaan ‘jättimäinen tehdas, jossa on muuta kuin tulostimia.’

Kuitenkin Luke Czingerin, Divergent Technologiesin perustajan ja COO:n, mukaan, joka työskentelee tällä hetkellä kuuden autonvalmistajan, kuten Mercedes‑Benzin, Aston Martinin, Bugattin ja McLarenin, kanssa, 3D‑tulostus – erityisesti jousitus‑ ja tukikomponentit – voi parantaa sähköajoneuvojen suorituskykyä.

“Sähköauton tarina on houkutteleva kantaman suhteen. Jos voit säästää 20 %–30 % massasta alustan rakenteessa, voit joko lisätä kantamaa tai pienentää pakettikokoa. Tyypillisesti näille edullisemmille sähköautoille se on todella merkityksellistä liiketoiminnan kannattavuuden kannalta. Lisäksi on kestävyysnäkökulma. Jos teet kevyemmän ajoneuvon, se kuluttaa vähemmän renkaita, mutta myös käyttää vähemmän alumiinia ja tuottaa vähemmän CO₂:ta valmistusprosessissa.”

– Czinger

Tutkijat uskovat, että 3D‑tulostuksen vahvuus autojen valmistuksessa on sen kyvyssä poistaa ylimääräisen materiaalin käyttö ja siten tarpeetonta jätettä, sekä pitkien kuljetusreittien ja varastointialueiden tarve, mikä vähentää merkittävästi ympäristövaikutuksia.

Yhteenvetona, se on lupaava kestävä valmistusmenetelmä. Kuitenkin sen on käsiteltävä muutamia pullonkauloja tullakseen todella menestyksekkääksi. Esimerkiksi sen on hallittava tuotelaadun valvonta, poistettava liiallinen jälkikäsittely, parannettava tuotantomäärää ja ratkaistava standardien puute.

3D‑tulostuksen menestyksekäs soveltaminen autoteollisuudessa edellyttää standardoituja prosesseja ja materiaaleja. Yleisten standardien puute voi haitata eri 3D‑tulostimien ja ‑ohjelmistojen yhteensopivuutta, mikä vaikeuttaa saman suorituskyvyn saavuttamista jopa identtisten prosessiparametrien alla.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista lisäainevalmistuksen ja 3D‑tulostuksen osakkeista.