Er 3D‑printede biler mulige? Nye utviklinger kaster lys på svaret

3D‑printing har fanget fantasien til en rekke industrier over hele verden. Også kjent som additiv produksjon, har 3D‑printing med rette blitt kalt en av de mest definerende teknologiene i vår tid. I motsetning til tradisjonelle produksjonsteknologier er det en metode som kan bygge 3D‑objekter av nesten enhver type i lag. For å oppnå dette utnytter teknologien datastøttet design (CAD) og et bredt spekter av materialer, som metall, plast, betong eller papir.

Allsidigheten den gir produsenter som jobber globalt for å optimalisere kostnader og tid i produksjonsflyten gjør den til en sterk kandidat for rask adopsjon. Ifølge anslag kan det globale markedet for 3D‑printing‑produkter og -tjenester vokse fra US$12,6 milliarder i 2020 til US$37,2 milliarder i 2026. Innen 2030 kan antallet av additiv produksjons‑ og 3D‑printing‑enheter verden over nå 2,8 millioner.

En så sterk vekst vil gjøre 3D‑printing praktisk talt allestedsnærværende. Derfor spør alle: Kan 3D‑printing bli egnet for bilsektoren, en industri hvor produksjonspresisjon er enormt verdsatt? Mer direkte, er det mulig å 3D‑printe biler? Vi vil diskutere mulighetene i de kommende segmentene.

Klikk her for å lære hvorfor 3D‑printing er et potensielt $500 milliarder‑marked.

Tohoku Universitys gjennombrudd i fler‑materiale 3D‑printing‑teknikk

Universitetets institutt for materialforskning og ny industri‑skapelses‑inkubator oppnådde noe banebrytende. Forskerne demonstrerte prosessen for å lage en lett, men holdbar bildel gjennom en fler‑materiale 3D‑printing‑teknikk. 

Kilde: Tohoku University

Her må vi se nærmere på fenomenet med fler‑materiale 3D‑printing‑teknikker. Fler‑materialestrukturer, som navnet antyder, kombinerer strategisk ulike materialer for optimal ytelse av en komponent. Enda viktigere er at de kan lages gjennom 3D‑printing.

Mens han forklarte fremveksten av denne teknikken, sa førsteamanuensis Kenta Yamanaka ved Tohoku University:

“Fler‑materialer er et hett tema innen additiv produksjon på grunn av prosessens fleksibilitet.”

Han påpekte imidlertid også begrensningene teknologien har. Ifølge ham:

“For visse metallkombinasjoner, som stål og aluminium, kan sprø intermetalliske forbindelser dannes ved grensesnittene mellom de ulike metallene. Så selv om materialet nå er lettere, blir det mer sprø.”

Det mest relevante aspektet ved denne forskningen var at forskerne forsøkte å løse dette flaskehalsen ved å produsere en stål‑aluminium‑legering som – til tross for sin letthet – ikke gikk på kompromiss med styrken. 

Målet ble oppnådd ved å bruke Laser Powder Bed Fusion (L‑PBF), en av de primære metall‑3D‑printing‑teknologiene som benytter en laser til selektivt å smelte metallpulver.  Forskerne fant at økt skanningshastighet på laserstrålen betydelig kunne undertrykke dannelsen av sprø intermetalliske forbindelser (som Al5Fe2 og Al13Fe4). De foreslo at denne høyere skanningshastigheten kunne føre til det som kalles ikke‑likevektig størkning, som minimerte løsningspartisjonering som førte til svake punkter i materialet. Det ultimative resultatet var et produkt med sterke bindingsgrensesnitt. 

Når man utdyper verdien av å forstå denne in‑situ legeringsmekanismen, sa spesialutnevnt assisterende professor Seungkyun Yim ved Tohoku University:

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

Selv om funnene fra Tohoku‑universitetets forskere kan høres tekniske og høytravende ut, har de store implikasjoner for anvendt bilproduksjon. Kort oppsummert klarte forskerne å prototype verdens første full‑skala bil‑fler‑materialekomponent (suspensjonstårn) med en skreddersydd geometri. Fremover kan funnene potensielt påvirke andre metallkombinasjoner hvor lignende bindingsproblemer må forbedres. 

Selv om denne forskningen åpner nye horisonter for bilindustrien, er bruken av 3D‑printing i dette området ikke ny.

Klikk her for å lære hvordan 3D‑printing konsolideres inn i fremtidens produksjon.

3D‑printing for raskere prototyper og om‑designede komponenter eller deler

Bransjeeksperter sier at 3D‑printing allerede har blitt brukt til å fremskynde prototypelaging, redesigne utvalgte deler og komponenter, og til og med erstatte dem. Men med tiden har bruken av 3D‑printing beveget seg utover sitt opprinnelige område til å gå inn i produksjon av prototyper og lage lav‑volum, tilpassede 3D‑printede trimdeler i noen nåværende kjøretøy. 

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

“Ettersom bilindustrien beveger seg mot mer lettvekts‑fokuserte hybrid‑ eller til og med elektrifiserte kjøretøyplattformer, spiller additiv produksjon så godt inn fordi den tillater virkelig effektive måter å skape effektive design på.”

I stedet for tre deler, som kanskje var kravet tidligere, gjør 3D‑printing det nå mulig å optimalisere designet til ett enkelt stykke, og plassere materiale kun der det trengs for å gjøre det lettere, sterkere og mer fleksibelt.

Ifølge Dallas Martin, additiv produksjonsingeniør hos Toyota Motor North America (TM ) :

“Integrering av 3D‑printing i verktøy‑ og jig‑produksjon har forbedret produksjonslinjens effektivitet og fleksibilitet.”

En gjennomgang av forskningen gjort på dette feltet så langt antyder at 3D‑printing kan revolusjonere bilindustrien ved å gjøre design mer fleksible, prototyping raskere og avfallsreduksjon mer effektiv. Dette kan oppnås ved å holde produksjonen lett. Forskerne pekte på disse årsakene som drivere bak bilprodusentenes økende investering i AM‑teknikker.

Mens vi vil utforske noen pionerbedrifter som er aktive på dette feltet i de kommende segmentene, har forskere bemerket flere muligheter for AM i bærekraftige og grønne løsninger, spesielt innen videreutvikling av batterisystemer og el‑biler. 3D‑printing kan vise seg nyttig for å generere varmemotstandsdyktige batterifester som forbedrer varmespredning og batterikjøling. Det ses også som en lovende løsning for produksjon av fast‑state litium‑batterier.

I de kommende segmentene vil vi se på brukstilfeller hvor kjente bilprodusenter utvikler effektive løsninger.

1. Toyota

I juli 2024 kom rapporter om at Toyota introduserte Hyper‑F‑konseptbiler med 3D‑printede deler. En veteran på dette feltet, Toyota, gjennom TCD Asia (Toyota Customizing & Development) – allerede involvert i produksjon av kjøretøytilbehør for ulike Toyota‑modeller – avduket et høy‑ytelses SUV‑konsept med 3D‑printede deler og banebrytende materialer. Dette var kun mulig gjennom samarbeid med de japanske selskapene Mitsui Chemicals og ARRK Corporation. 

Rapporter antyder at Toyotas Hyper‑F‑konseptbil er basert på Toyota Fortuner, utviklet av TCD Asia. Ved å utnytte Mitsui Chemicals’ avanserte tekniske ekspertise, brukte Toyota 3D‑printing med pellets for å produsere deler fra plastgranulater til lav kostnad, noe som reduserte utviklingstid og investeringskostnader.

Selskapet hevdet at disse 3D‑printede delene er spesielt stabile og klare til å bli printet i store formater. For Toyota Hyper‑F‑konseptbilen pryder 3D‑printede komponenter panelene på luftinntakene i motorhuset.

Før dette hadde Toyota også blitt rapportert å ha samarbeidet med Solize, en partner innen global produktutviklings‑ingeniørkunst og leverandør av ingeniørtjenester, for å print 3D reservedeler på forespørsel. Mer spesifikt brukte Toyota multi‑jet fusion 3D‑printing for å lage lagerdeler før de ble solgt sammen med tradisjonelt produserte reservedeler. En annen global teknologigigant, HP, leverte printerne til Toyota.

Mens han snakket om bilindustriens interesse for å utnytte 3D‑printing, sa Nobuki Okado, MD i HP Japan:

“Hver dag ser vi økende oppslutning og mer modne 3D‑printede applikasjoner på tvers av mange ulike industrier globalt, spesielt i bilsektoren. Ledende bilprodusenter som Toyota Motor Corporation viser kraften i 3D‑printing for fleksibelt design, rask markedstilgang og bærekraftig påvirkning.”

Utover HP har Toyota utnyttet flere andre selskapers løsninger for å finjustere og forbedre sine 3D‑biltilbud. For eksempel har selskapet samarbeidet med Materialise for å utvikle et ultralet 3D‑printet bilsete. De har investert i teknologiens FoU ved å co‑utvikle Somos Taurus sammen med DSM, et materiale som sies å være ideelt for bilapplikasjoner med sin svært effektive varme‑defleksjonstemperatur på 95 °C. Selskapet har også fått 3D‑printing‑avdelingen oppkalt etter seg ved University of Waterloo. 

I mai 2024 publiserte Toyota Motor Corporation sin FY 2024‑rapport for perioden 1. april 2023 til 31. mars 2024. Selskapet registrerte en salgsinntekt på 45 095 325 millioner yen og driftsinntekt på 5 352 934 millioner yen. 

2. General Motors

I 2022, kanskje den mest kjente bilaktøren i verden, rapporterte å ha gått utover prototyper og lav‑volum‑deler i sin bruk av 3D‑printing eller additiv produksjon. Den største bilprodusenten i USA printer tilpassede verktøy for fabrikkoperatører, noe som gjør deres arbeid tryggere og mer produktivt. 

GM‑forholdet til 3D‑printing går tilbake til 1989 da de installerte en tidlig 3D‑printer, en stereolitografimaskin med serienummer «3», i 1989 på Warren (Michigan) Tech Center‑campus nær Detroit.

Ifølge Ali Shabbir, engineering group manager i GM for industrialisering av additiv produksjon:

“Etter hvert som teknologien, materialstyrkene og tilgjengeligheten av metaller virkelig begynte å ta av, sa ledelsen: ‘Vet du hva, dette er noe vi virkelig må følge med på, så la oss sette et lite team på dette for å utforske hva som kan gjøres.'”

I 2019 åpnet GM sitt Additive Innovation Lab (AIL), et 4 000 sq. ft. anlegg i Cole Engineering Center i Global Technical Center. 

Ifølge Ali Shabbir var dette laboratoriet kronjuvelen i GM‑s additive utdanningsprogram. Det var et DIY‑makerspace og læringssenter hvor ansatte kunne lære å designe, sette opp additive bygg og etterbehandle deler.

Blant de mange eksemplene på at GM med suksess har tatt i bruk 3D‑printing eller additiv produksjon i bilindustrien, skiller noen seg ut. For eksempel, i 2020, printet selskapet 75 % av delene til sin ikke‑operasjonelle prototype (ikke produksjonskjøretøy) av den første 2020 Chevy C8 Corvette, slik at ingeniører kunne studere den endelige monteringsprosessen og identifisere produksjonsutfordringer.

Det året produserte selskapet additive deler til racing‑sesongen for Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro og Silverado‑raceteam. 

I 2021, gjennom partnerskapet med  GKN Additive Forecast 3D, printet selskapet 60 000 fleksible «spoiler closeout seals» for å fullføre 30 000 Chevrolet Tahoe‑SUV‑er på fem uker. Den tradisjonelle produksjonsmetoden – injeksjonsstøping – kunne ha tatt så lenge som 10 uker. 

GM integrerte også 3D‑printede deler, inkludert to HVAC‑kanaler og en holder for elektrisk ledningsnett, i Cadillac CT4‑V og CT5‑V Blackwing‑kjøretøy. I oktober 2022 kunngjorde de det mest ambisiøse hittil: $300 000 Cadillac CELESTIQ EV, som i stor grad vil bruke metall‑additiv produksjon for skreddersydde tilpasninger.

Ifølge deres årsrapport for regnskapsåret som endte 31. desember 2023 rapporterte GM en inntekt på $171,8 milliarder, nettoresultat til aksjonærene på $10,1 milliarder, og justert EBIT på $12,4 milliarder.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) er en av verdens største produsenter av kommersielle kjøretøy. Med over 40 produksjonssteder globalt og mer enn 100 000 ansatte, tilbyr de lette, mellomstore og tunge lastebiler, by‑ og intercity‑busser, coach‑buss og buss‑chassis.

Selskapet hevder å ha hatt enorm nytte av sin innovative 3D‑printing‑teknologi. De nesten 30 årene med erfaring innen 3D‑printet prototypkonstruksjon har nå blitt overført til serieproduksjon med høye kvalitetsstandarder. Ved å bruke 3D‑printing kan Daimlers bussdivisjon raskt, fleksibelt, økonomisk og miljøvennlig reagere på akutte kundekrav, inkludert produksjon av spesialkomponenter som deksler, håndtak og et bredt spekter av individuelle braketter.

Daimlers «Centre of Competence for 3D Printing» begynte i 2019 å undersøke over 300 000 nåværende bussreservedeler i detalj for å vurdere deres egnethet som 3D‑printede deler. Selskapet har nå en fullverdig Additive Manufacturing Solutions‑avdeling som har ført til opptil 80 % reduksjon i innkjøpstid, identifisert over 7 000 potensielle 3D‑print‑komponenter, og utviklet en portefølje med over 400 godkjente reservedeler som kan 3D‑printes. 

Ifølge Ralf Anderhofstadt, leder for Centre of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media hos Daimler Buses, har selskapets aktiviteter innen additiv produksjon, den «immense potensialet til teknologien gjennom hele verdikjeden har blitt tydelig steg for steg.» Som Ralf ser det, spenner mulighetene for Daimlers virksomhet, så vel som for kundene, fra besparelsespotensial til nye forretningsmodeller. 

I 2023 rapporterte Daimler Truck en inntekt på 55 890 millioner euro, en betydelig økning fra 2022‑tallet på 50 945 millioner euro. 

Fremtidsutsiktene

Meningene er fortsatt delte om hvorvidt 3D‑printing vil ta helt over bilproduksjonen i fremtiden. Ifølge Robert Willig, administrerende direktør, CEO, SME, tidligere Society of Manufacturing Engineers, kan det hende at det ikke blir en «gigantisk fabrikk med annet enn printere».

Imidlertid, ifølge Luke Czinger, medgründer og COO i Divergent Technologies, som for tiden samarbeider med seks bilprodusenter, inkludert Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti og McLaren, bruker 3D‑printing hovedsakelig for opphengs‑ og forsterkningskomponenter; egenskapene til 3D‑printede materialer kan forbedre ytelsen til elektriske kjøretøy.

“EV‑historien er overbevisende for rekkevidde. Hvis du kan spare 20 % til 30 % av massen på chassistrukturen, kan du enten øke rekkevidden eller redusere pakkestørrelsen. Typisk for disse lavkost‑EV‑ene er dette virkelig meningsfullt for lønnsomheten i virksomheten. I tillegg har du bærekraftsdelen. Hvis du lager et lettere kjøretøy, får du mindre dekk‑slitasje, men du bruker også mindre aluminium og mindre CO₂ i produksjonsprosessen.”

– Czinger

Forskere mener styrken ved 3D‑printing i bilproduksjon ligger i at den kan eliminere bruk av overflødig materiale og dermed unødvendig avfall, samt behovet for lange transport‑ og lagringsruter, noe som i stor grad reduserer miljøpåvirkningen. (MBG.DE )

Oppsummert er det en lovende bærekraftig produksjonsmetode. Den må imidlertid håndtere noen flaskehalser for å bli virkelig vellykket. For eksempel må den ha god kontroll over produktkvalitet, eliminere behovet for omfattende etterbehandling, forbedre produksjonsvolumet og takle mangelen på standarder.

For en vellykket anvendelse av 3D‑printing i bilindustrien er standardiserte prosesser og materialer påkrevd. Mangelen på universelle standarder kan hindre interoperabilitet mellom ulike 3D‑printere og programvare, noe som gjør det vanskelig å oppnå samme ytelse selv under identiske prosessparametere.

Klikk her for en liste over topp‑aksjer innen additiv produksjon og 3D‑printing.