Zijn 3D‑geprinte auto’s mogelijk? Nieuwe ontwikkelingen werpen licht op een antwoord

3D‑printen heeft de verbeelding van een reeks industrieën wereldwijd gevangen. Ook bekend als additive manufacturing, wordt 3D‑printen terecht beschouwd als een van de meest bepalende technologieën van onze tijd. In tegenstelling tot traditionele productietechnologieën is het een methode die bijna elk type 3D‑object in lagen kan opbouwen. Om dit te realiseren maakt de technologie gebruik van computer‑aided design (CAD) en een breed scala aan materialen, zoals metaal, plastic, beton of papier.

De veelzijdigheid die het biedt aan fabrikanten wereldwijd om hun productieprocessen kosten‑ en tijdmatig te optimaliseren, maakt het een uitstekende kandidaat voor een snelle, exponentiële adoptie. Volgens schattingen zou de wereldwijde omvang van de markt voor 3D‑printproducten en -diensten kunnen groeien van US$12.6 billion in 2020 to US$37.2 billion in 2026. Tegen 2030 zou het aantal additive manufacturing‑ en 3D‑printapparaten wereldwijd 2,8 miljoen kunnen bereiken.

Zo’n sterke groei zou 3D‑printen praktisch alomtegenwoordig maken. Daarom vraagt iedereen zich af: kan 3D‑printen geschikt worden voor de automobielsector, een industrie waarin productienauwkeurigheid enorm wordt gewaardeerd? Simpel gezegd, is het mogelijk om auto’s te 3D‑printen? We zullen de mogelijkheden in de komende segmenten bespreken.

Klik hier om te leren waarom 3d printing is a potential $500B market.

Doorbraak van Tohoku University in Multi‑Materiaal 3D‑Printtechniek

Het Institute for Materials Research and New Industry Creation Hatchery Center van de universiteit heeft iets baanbrekends bereikt. De onderzoekers hebben het proces gedemonstreerd voor het creëren van een lichtgewicht maar duurzaam automobielonderdeel via een multi‑materiaal 3D‑printtechniek. 

Bron: Tohoku University

Hier moeten we het fenomeen van multi‑materiaal 3D‑printtechnieken nader bekijken. Multi‑materiaalstructuren combineren, zoals de naam al aangeeft, strategisch verschillende materialen voor optimale prestaties van een component. Belangrijker nog, ze kunnen via 3D‑printen worden vervaardigd.

Tijdens het uitleggen van de opkomst van deze techniek zei universitair hoofddocent Kenta Yamanaka van Tohoku University het volgende:

“Multi‑materialen zijn een hot topic op het gebied van additive manufacturing vanwege de flexibiliteit van het proces.”

Hij vermeldde echter ook de beperkingen die de technologie met zich meebrengt. Volgens hem:

“Voor bepaalde metaalcombinaties, zoals staal en aluminium, kunnen broze intermetallische verbindingen ontstaan op de interfaces tussen verschillende metalen. Dus, hoewel het materiaal nu lichter is, wordt het brozer.”

Het meest relevante aspect van dit onderzoek was dat de wetenschappers probeerden deze knelpunt op te lossen door een staal‑aluminiumlegering te produceren die – ondanks het lichte gewicht – niet in te leveren op sterkte. 

Het doel werd bereikt door gebruik te maken van Laser Powder Bed Fusion (L‑PBF), een van de belangrijkste metaal‑3D‑printtechnologieën die een laser inzet om metaalpoeders selectief te smelten. De onderzoekers ontdekten dat het verhogen van de scansnelheid van de laser de vorming van broze intermetallische verbindingen (zoals Al5Fe2 en Al13Fe4) aanzienlijk kon onderdrukken. Ze stelden voor dat deze hogere scansnelheid kon leiden tot wat non‑equilibrium solidification wordt genoemd, waardoor solutpartitionering die zwakke punten in het materiaal veroorzaakt, werd geminimaliseerd. Het uiteindelijke resultaat was een product met sterke hechtingsinterfaces. 

Bij het toelichten van de waarde van het begrijpen van dit in‑situ legeringsmechanisme zei speciaal aangestelde assistent‑professor Seungkyun Yim van Tohoku University:

“Met andere woorden, je kunt niet zomaar twee metalen tegen elkaar slaan en verwachten dat ze zonder plan blijven plakken.”

Hoewel de bevindingen van de onderzoekers van Tohoku University technisch en hoogdravend kunnen klinken, hebben ze grote implicaties voor de toegepaste automobielproductie. Samengevat konden de onderzoekers een prototype maken van ‘s werelds eerste full‑scale automotive multi‑materiaal component (suspension tower) met een op maat gemaakte geometrie. In de toekomst zouden de bevindingen mogelijk andere metaalcombinaties kunnen beïnvloeden waar soortgelijke hechtingsproblemen moeten worden verbeterd. 

Hoewel dit onderzoek nieuwe horizonten voor de automobielindustrie opent, is het gebruik van 3D‑printen in dit gebied niet nieuw.

Klik hier om te leren hoe 3d printing is consolidating into the future of manufacturing.

3D‑printen voor Snellere Prototypen en Herontworpen Componenten of Onderdelen

Industrie‑experts zeggen dat 3D‑printen al wordt gebruikt om het maken van prototypes te versnellen, geselecteerde onderdelen en componenten te herontwerpen en zelfs te vervangen. Maar na verloop van tijd is het gebruik van 3D‑printen verder gegaan dan het oorspronkelijke domein en heeft het zich uitgebreid tot het vervaardigen van prototypes en het produceren van low‑volume, op maat gemaakte 3D‑geprinte trimonderdelen in sommige huidige voertuigen. 

Volgens Robert Wilig, uitvoerend directeur, CEO, SME, voorheen Society of Manufacturing Engineers:

“Naarmate de auto‑industrie zich meer richt op lichtgewicht hybride of zelfs geëlektrificeerde voertuigplatformen, past additive manufacturing hier perfect bij omdat het echt efficiënte manieren biedt om efficiënte ontwerpen te creëren.”

In plaats van drie onderdelen, wat eerder de vereiste was, maakt 3D‑printen nu mogelijk het ontwerp te optimaliseren tot één enkel stuk, waarbij materiaal alleen wordt geplaatst waar het nodig is om het lichter, sterker en flexibeler te maken.

Volgens Dallas Martin, additive manufacturing engineer bij Toyota Motor (TM ) North America:

“Integratie van 3D‑printen in de productie van gereedschappen en jigs heeft de efficiëntie en flexibiliteit van de productielijn verbeterd.”

Een overzicht van het onderzoek dat tot nu toe in dit veld is gedaan, suggereert dat 3D‑printen de automobielindustrie kan revolutioneren door ontwerpen flexibeler te maken, prototyping sneller te laten verlopen en afvalreductie efficiënter te maken. Dit kan worden bereikt door de productie lichtgewicht te houden. De onderzoekers noemden deze redenen als drijfveren achter de toenemende investeringen van autofabrikanten in AM‑technieken.

Terwijl we in de komende segmenten een paar baanbrekende bedrijven die actief zijn in dit veld zullen verkennen, hebben onderzoekers meer kansen voor AM opgemerkt in duurzame en groene oplossingen, met name bij de ontwikkeling van batterijsystemen en elektrische auto’s. 3D‑printen kan nuttig blijken bij het maken van hittebestendige batterijbevestigingen die de warmteafvoer en batterijkoeling verbeteren. Het wordt ook gezien als een veelbelovende oplossing voor de productie van solid‑state lithiumbatterijen.

In de komende segmenten zullen we kijken naar use‑cases waarin bekende automobielfabrikanten effectieve oplossingen ontwikkelen.

1. Toyota

In juli 2024 verschenen er rapporten dat Toyota Hyper‑F conceptauto’s introduceert met 3D‑geprinte onderdelen. Een veteran in dit veld, Toyota, via TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — die al betrokken is bij het produceren van voertuigaccessoires voor diverse Toyota-modellen — onthulde een high‑performance SUV‑concept met 3D‑geprinte onderdelen en geavanceerde materialen. Dit was alleen mogelijk dankzij samenwerkingen met de Japanse bedrijven Mitsui Chemicals en ARRK Corporation. 

Rapporten suggereren dat de Hyper‑F conceptauto van Toyota gebaseerd is op de Toyota Fortuner, ontwikkeld door TCD Asia. Door gebruik te maken van de geavanceerde technische expertise van Mitsui Chemicals, gebruikte Toyota 3D‑printen met pellets om onderdelen uit plasticgranulaat te produceren tegen lage kosten, waardoor ontwikkeltijden en investeringskosten werden verlaagd.

Het bedrijf beweerde dat deze 3D‑geprinte onderdelen bijzonder stabiel waren en klaar om te worden geprint tot grote formaten. Voor de Toyota Hyper‑F conceptauto sieren 3D‑geprinte componenten de panelen van de luchtinlaten van de motorkap.

Voor dit project zou Toyota ook hebben samengewerkt met Solize, een partner in wereldwijde productontwikkelingsengineering en leverancier van engineeringdiensten, om 3D‑onderdelen voor auto‑onderdelen op aanvraag te printen. Concreet gebruikte Toyota multi‑jet fusion 3D‑printen om voorraadonderdelen te creëren voordat ze werden verkocht naast traditioneel geproduceerde reserveonderdelen. Een andere wereldwijde techgigant, HP, leverde de printers aan Toyota.

Tijdens een gesprek over de interesse van de automobielindustrie in het benutten van 3D‑printen, zei Nobuki Okado, MD van HP Japan:

“Elke dag zien we een groeiende tractie en meer volwassen 3D‑geprinte toepassingen in veel verschillende industrieën wereldwijd, vooral in de automobielsector. Toonaangevende autofabrikanten zoals Toyota Motor Corporation tonen de kracht van 3D‑printen voor flexibel ontwerp, snelheid naar de markt en duurzame impact.”

Naast HP heeft Toyota verschillende oplossingen van andere bedrijven benut om hun 3D‑automotive aanbod te verfijnen en te verbeteren. Zo heeft het bedrijf samengewerkt met Materialise om een ultralichte 3D‑geprinte autostoel te ontwikkelen. Het heeft geïnvesteerd in R&D van de technologie door Samen met DSM Somos Taurus te co‑ontwikkelen, een materiaal dat ideaal zou zijn voor automobieltoepassingen vanwege de zeer effectieve warmte‑deflectietemperatuur van 95 °C. Het bedrijf heeft de 3D‑printafdeling naar haar naam laten vernoemen aan de Universiteit van Waterloo.

In mei 2024 publiceerde Toyota Motor Corporation haar FY‑2024‑rapport voor de periode 1 april 2023 tot en met 31 maart 2024. Het bedrijf noteerde een omzet van 45.095.325 miljoen yen en een operationele winst van 5.352.934 miljoen yen. 

2. General Motors

In 2022 ging, wellicht de bekendste automobielspeler ter wereld, volgens berichten verder dan prototypes en low‑volume onderdelen in het gebruik van 3D‑printen of additive manufacturing. De grootste autofabrikant in de Verenigde Staten print op maat gemaakte gereedschappen voor fabrieksoperators, waardoor hun werk veiliger en productiever wordt.

De relatie van General Motors (GM ) met 3D‑printen gaat terug tot 1989, toen het een vroege 3D‑printer, een stereolithografie‑machine met serienummer “3”, installeerde op de Warren (Michigan) Tech Center campus nabij Detroit.

Volgens Ali Shabbir, engineering group manager bij GM voor de industrialisatie van additive manufacturing:

“Naarmate de technologie, de materiaalkrachten, de beschikbaarheid van metalen echt op gang kwamen, zeiden de leidinggevenden: ‘Weet je wat, dit is iets waar we echt aandacht aan moeten besteden, dus laten we er een klein team op zetten om echt te onderzoeken wat er gedaan kan worden.'”

In 2019 opende GM haar Additive Innovation Lab (AIL), een faciliteit van 4.000 vierkante voet in het Cole Engineering Center in het Global Technical Center. 

Volgens Ali Shabbir was dit laboratorium het kroonjuweel van GM’s additive‑onderwijsprogramma. Het was een DIY‑makerspace en leercentrum waar medewerkers konden leren hoe ze additive builds konden ontwerpen, opzetten en onderdelen konden nabewerken.

Onder de vele voorbeelden van GM die met succes 3D‑printen of additive manufacturing inzet in de auto‑industrie, springen enkele eruit. Bijvoorbeeld, in 2020 printte het bedrijf 75 % van de onderdelen voor zijn niet‑operationele prototype (niet het productievoertuig) van de eerste 2020 Chevy C8 Corvette, waardoor ingenieurs het uiteindelijke assemblageproces konden bestuderen en productie‑uitdagingen konden identificeren.

Dat jaar produceerde het bedrijf additive onderdelen voor het raceseizoen voor de Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro en Silverado race‑teams. 

In 2021, via haar samenwerking met GKN Additive Forecast 3D, printte het bedrijf 60.000 flexibele “spoiler closeout seals” om 30.000 Chevrolet Tahoe SUV’s in vijf weken te voltooien. De traditionele productiemethode – injectiegieten – had veel langer kunnen duren, tot wel 10 weken. 

GM heeft ook 3D‑geprinte onderdelen, waaronder twee HVAC‑kanalen en een houder voor de elektrische bedrading, geïntegreerd in Cadillac CT4‑V en CT5‑V Blackwing voertuigen. In oktober 2022 kondigde het het meest ambitieuze project tot nu toe aan: de $300.000 Cadillac CELESTIQ EV, die uitgebreid gebruik zou maken van metalen additive manufacturing voor op maat gemaakte aanpassingen.

Volgens het jaarverslag voor het fiscale jaar dat eindigde op 31 december 2023, rapporteerde GM een omzet van $171,8 miljard, een nettowinst toerekenbaar aan aandeelhouders van $10,1 miljard, en een aangepaste EBIT van $12,4 miljard.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) is een van ‘s werelds grootste fabrikanten van bedrijfsvoertuigen. Met meer dan 40 productielocaties wereldwijd en meer dan 100.000 werknemers biedt het lichte, middelzware en zware vrachtwagens, stads‑ en intercitybussen, touringcars en buschassis.

Het bedrijf beweert enorm te hebben geprofiteerd van zijn innovatieve 3D‑printtechnologie. Zijn bijna 30 jaar ervaring in het bouwen van 3D‑print prototypes is nu overgegaan naar serieproductie met hoge kwaliteitsnormen. Met behulp van 3D‑printen kan de busdivisie van Daimler snel, flexibel, economisch en milieuvriendelijk inspelen op dringende klantvereisten, waaronder de productie van speciale componenten zoals afdekkingen, handgrepen en een divers scala aan individuele beugels.

Daimler’s “Centre of Competence for 3D Printing” begon in 2019 meer dan 300.000 huidige busreserveonderdelen grondig te onderzoeken op hun geschiktheid als 3D‑geprinte onderdelen. Het bedrijf heeft nu een volledige Additive Manufacturing Solutions‑afdeling die heeft geleid tot een reductie van de inkooptijd tot wel 80 %, meer dan 7.000 potentiële 3D‑printcomponenten heeft geïdentificeerd, en een portfolio van meer dan 400 goedgekeurde reserveonderdelen heeft ontwikkeld die 3D‑geprint kunnen worden.

Volgens Ralf Anderhofstadt, hoofd van het Center of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media bij Daimler Buses, zijn de activiteiten van het bedrijf op het gebied van additive manufacturing, het “enorme potentieel van de technologie langs de volledige waardeketen is stap voor stap duidelijk geworden.” Zoals Ralf het ziet, variëren de kansen voor Daimler’s bedrijfsvoering, evenals voor haar klanten, van besparingspotentieel tot nieuwe businessmodellen. 

In 2023 rapporteerde Daimler Truck een omzet van 55.890 miljoen euro, een aanzienlijke stijging ten opzichte van het cijfer van 50.945 miljoen euro in 2022. 

Vooruitzichten voor de Toekomst

De mening is nog verdeeld over de vraag of 3D‑printen in de toekomst de autoproductie volledig zal overnemen. Volgens Robert Willig, uitvoerend directeur, CEO, SME, voorheen Society of Manufacturing Engineers, zal er mogelijk geen ‘gigantische fabriek met niets anders dan printers’ zijn.

Echter, volgens Luke Czinger, mede‑oprichter en COO van Divergent Technologies, werkt momenteel met zes autofabrikanten, waaronder Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti en McLaren, aan 3D‑printen, voornamelijk van ophangings‑ en verstevigingscomponenten; de eigenschappen van 3D‑geprinte materialen kunnen de prestaties van elektrische voertuigen verbeteren.

“Het EV‑verhaal is overtuigend voor het bereik. Als je 20 % tot 30 % van het gewicht van je chassisstructuur kunt besparen, kun je ofwel het bereik vergroten of de pack‑grootte verkleinen. Voor deze goedkopere EV’s is dat ten minste echt betekenisvol voor de winstgevendheid van dat bedrijf. Daarnaast is er ook het duurzaamheidselement. Als je een lichter voertuig maakt, zul je minder bandenslijtage hebben, maar je zult ook minder aluminium en minder CO₂ gebruiken in het productieproces.”

– Czinger

Onderzoekers geloven dat de kracht van 3D‑printen in de autoproductie ligt in het elimineren van overtollig materiaal en daarmee onnodig afval, evenals de noodzaak van lange transportroutes en opslagruimtes, waardoor de milieueffecten aanzienlijk worden verminderd. (MBG.DE )

Samengevat is het een veelbelovende duurzame productiemethode. Het moet echter enkele knelpunten aanpakken om echt succesvol te worden. Bijvoorbeeld, het moet een goede grip hebben op de controle van productkwaliteit. Het moet de noodzaak van overmatige nabewerking elimineren, het productvolume verbeteren en het gebrek aan standaarden aanpakken.

Voor een succesvolle toepassing van 3D‑printen in de automobielindustrie zijn gestandaardiseerde processen en materialen vereist. Het ontbreken van universele standaarden kan de interoperabiliteit tussen verschillende 3D‑printers en software belemmeren, waardoor het moeilijk wordt om dezelfde prestaties te behalen, zelfs onder identieke procesparameters.

Klik hier voor een lijst van top additive manufacturing- en 3d printing stocks.