Är 3D-utskrivna bilar möjliga? Nya utvecklingar kastar ljus på ett svar

3D-utskrift har fångat fantasin hos en rad industrier världen över. Även känt som additiv tillverkning har 3D-utskrift med rätta kallats en av de mest definierande teknologierna i vår tid. Till skillnad från traditionella tillverkningstekniker är det en metod som kan bygga 3D-objekt av nästan vilken sort som helst i lager. För att uppnå detta utnyttjar tekniken datorstödd konstruktion (CAD) och ett brett spektrum av material, såsom metall, plast, betong eller papper.

Enligt uppskattningar kan den globala storleken på marknaden för 3D-utskriftsprodukter och -tjänster växa från US$12,6 miljarder år 2020 till US$37,2 miljarder år 2026. År 2030 kan antalet enheter för additiv tillverkning och 3D-utskrift världen över nå 2,8 miljoner.

En sådan stark tillväxt skulle göra 3D-utskrift praktiskt taget allestädes närvarande. Därför frågar alla: Kan 3D-utskrift bli lämplig för bilsektorn, en industri där tillverkningsprecision är enormt värderad och uppskattad? För att uttrycka det mer direkt, är det möjligt att 3D-printa bilar? Vi kommer att diskutera möjligheterna i de kommande segmenten.

Klicka här för att lära dig varför 3D-utskrift är en potentiell marknad på 500 miljarder dollar.

Tohoku-universitetets genombrott i flermaterial 3D-utskriftsteknik

Universitetets Institut för materialforskning och ny industriell skapelse (Hatchery Center) uppnådde något banbrytande. Forskarna demonstrerade processen för att skapa en lätt men hållbar bildeldel genom en flermaterial 3D-utskriftsteknik.

Källa: Tohuku University

Här behöver vi titta närmare på fenomenet med flermaterial 3D-utskriftstekniker. Flermaterialstrukturer, som namnet antyder, kombinerar strategiskt olika material för optimal prestanda hos en komponent. Mer viktigt är att de kan skapas genom 3D-utskrift.

“Flermaterial är ett hett ämne inom additiv tillverkning på grund av dess processflexibilitet.”

“För vissa metallkombinationer, såsom stål och aluminium, kan spröda intermetalliska föreningar bildas vid gränssnitten mellan de olika metallerna. Så, även om materialet nu är lättare, blir det mer sprött.”

Målet uppnåddes genom att använda Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), en av de primära metall-3D-utskriftsteknologierna som använder en laser för att selektivt smälta metallpulver.  Forskarna fann att öka laserskanningshastigheten kunde avsevärt undertrycka bildandet av spröda intermetalliska föreningar (såsom Al5Fe2 och Al13Fe4). De föreslog att denna högre skanningshastighet kunde leda till något som kallas icke-jämviktssolidifiering, vilket minimerade löslighetsuppdelning som resulterade i svaga punkter i materialet. Det ultimata resultatet var i form av en produkt som hade starka bindningsgränssnitt. 

“Med andra ord kan du inte bara slå ihop två metaller och förvänta dig att de fäster utan en plan.”

Även om Tohoku-universitetets forskningsresultat kan låta tekniska och avancerade, har de stora implikationer för den praktiska bilindustrin. Sammanfattningsvis kunde forskarna prototypa världens första fullskaliga flermaterialskomponent för bilar (upphängningstorn) med en skräddarsydd geometri. Framöver kan resultaten potentiellt påverka andra metallkombinationer där liknande bindningsproblem behöver förbättras.

Samtidigt som denna forskning öppnar nya horisonter för bilindustrin är användningen av 3D-utskrift inom detta område inte ny.

Klicka här för att lära dig hur 3D-utskrift konsolideras i framtidens tillverkning.

3D-utskrift för snabbare prototyper och omdesignade komponenter eller delar

Branschexperter säger att 3D-utskrift redan har använts för att påskynda skapandet av prototyper, omdesigna utvalda delar och komponenter, och till och med ersätta dem. Men med tiden har användningen av 3D-utskrift gått bortom sitt ursprungliga område för att ge sig in i tillverkning av prototyper och producera lågvolym, anpassade 3D-utskrivna trimdelar i vissa nuvarande fordon. 

Enligt Robert Wilig, verkställande direktör, VD, SME, tidigare Society of Manufacturing Engineers:

“Eftersom bilindustrin rör sig mot mer lättviktiga hybrid- eller till och med elektrifierade fordonsplattformar, passar additiv tillverkning så bra eftersom den möjliggör mycket effektiva sätt att skapa effektiva designer.”

Istället för tre delar, vilket tidigare kan ha varit ett krav, gör 3D-utskrift nu det möjligt att optimera designen till en enda del, där material placeras endast där det behövs för att göra den lättare, starkare och mer flexibel.

Enligt Dallas Martin, ingenjör för additiv tillverkning på Toyota Motor North America:

“Integration av 3D-utskrift i tillverkning av verktyg och jiggar har förbättrat produktionslinjens effektivitet och flexibilitet.”

En granskning av forskningen inom detta område hittills tyder på att 3D-utskrift kan revolutionera bilindustrin genom att göra designer mer flexibla, prototypframtagning snabbare och avfallsreducering mer effektiv. Detta kan uppnås genom att hålla produktionen lättviktig. Forskarna citerade dessa skäl som drivkrafter bakom biltillverkarnas ökande investeringar i AM-tekniker.

Medan vi kommer att utforska några banbrytande företag som är aktiva inom detta område i de kommande segmenten, har forskare noterat fler möjligheter för AM i hållbara och gröna lösningar, särskilt när det gäller att förbättra batterisystem och elbilar. 3D-utskrift kan vara användbart för att skapa värmebeständiga batterifästen som förbättrar värmeavledning och batterikylning. Det ses också som en lovande lösning för tillverkning av fastställda litiumbatterier.

I de kommande segmenten kommer vi att titta på användningsfall där välkända biltillverkare utvecklar effektiva lösningar.

1. Toyota (TM )

I juli 2024 kom rapporter om att Toyota introducerade Hyper-F konceptbilar med 3D-utskrivna delar. En veteran inom detta område, Toyota, genom TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — som redan är involverad i produktion av fordonstillbehör för olika Toyota-modeller — presenterade ett högpresterande SUV-koncept med 3D-utskrivna delar och banbrytande material. Detta var endast möjligt genom samarbeten med de japanska företagen Mitsui Chemicals och ARRK Corporation.

Rapporter antyder att Toyotas Hyper-F konceptbil är baserad på Toyota Fortuner, utvecklad av TCD Asia. Genom att utnyttja Mitsui Chemicals avancerade tekniska expertis använde Toyota 3D-utskrift med pellets för att producera delar från plastgranulat till låg kostnad, vilket minskade utvecklingstider och investeringskostnader.

Företaget påstod att dessa 3D-utskrivna delar var särskilt stabila och redo att skrivas ut för att bilda stora formatdelar. För Toyota Hyper-F konceptbilen pryder 3D-utskrivna komponenter panelerna på huvens luftintag.

Innan detta hade Toyota också rapporterats ha samarbetat med Solize, en partner inom global produktutvecklingsingenjörskonst och leverantör av ingenjörstjänster, för att skriva ut 3D-reservdelar för bilar på begäran. Mer specifikt använde Toyota multi-jet fusion 3D-utskrift för att skapa lagerdelar innan de såldes tillsammans med traditionellt producerade reservdelar. En annan global teknikjätte, HP, levererade skrivarna till Toyota.

“Varje dag ser vi växande genomslag och mer mogna 3D-utskriftsapplikationer över många olika industrier globalt, särskilt inom bilindustrin. Ledande biltillverkare som Toyota Motor Corporation visar upp kraften i 3D-utskrift för flexibel design, snabbare tid till marknaden och hållbar påverkan.”

Förutom HP har Toyota utnyttjat flera andra företags lösningar för att finjustera och förbättra sina 3D-bilprodukter. Till exempel har företaget samarbetat med Materialise för att utveckla en ultralätt 3D-utskriven bilsäte. Det har investerat i teknikens F&U genom att samutveckla Somos Taurus tillsammans med DSM, ett material som sägs vara idealiskt för bilapplikationer på grund av sin mycket effektiva värmeböjningsgrad på 95 °C. Företaget har fått 3D-utskriftsavdelningen namngiven efter sig vid University of Waterloo.

I maj 2024 publicerade Toyota Motor Corporation sin FY 2024-rapport för perioden 1 april 2023 till 31 mars 2024. Företaget registrerade en försäljningsintäkt på 45 095 325 miljon yen och ett rörelseresultat på 5 352 934 miljon yen.

2. General Motors (GM )

År 2022, kanske den mest välkända biltillverkaren i världen, rapporterades ha gått bortom prototyper och lågvolymdelar i sin användning av 3D-utskrift eller additiv tillverkning. Den största biltillverkaren i USA skriver ut anpassade verktyg för fabriksoperatörer, vilket gör deras arbete säkrare och mer produktivt.

GM:s förbindelse med 3D-utskrift går tillbaka till 1989 när de installerade en tidig 3D-skrivare, en stereolitografimaskin med serienummer “3”, på Warren (Michigan) Tech Center-campus nära Detroit.

“När teknologin, materialstyrkorna och tillgången på metaller verkligen började gå framåt, sade ledarna: ‘Vet du vad, det här är något vi verkligen måste uppmärksamma, så låt oss sätta ett litet team på detta för att verkligen utforska vad som kan göras.'”

2019 öppnade GM sitt Additive Innovation Lab (AIL), en 4 000 kvadratfot stor anläggning i Cole Engineering Center i Global Technical Center.

Enligt Ali Shabbir var detta laboratorium kronjuvelen i GMs additiva utbildningsprogram. Det var ett DIY‑maker‑space och lärcentrum där anställda kunde lära sig hur man designar och sätter upp additiva byggen samt efterbehandlar delar.

Bland de många exemplen på hur GM framgångsrikt använder 3D-utskrift eller additiv tillverkning i bilindustrin finns några som sticker ut. Till exempel, år 2020, skrev företaget ut 75 % av delarna för sin icke‑operativa prototyp (inte produktfordonet) av den första 2020 Chevy C8 Corvette, vilket gjorde det möjligt för ingenjörer att studera den slutgiltiga monteringsprocessen och identifiera produktionsutmaningar.

Det året producerade företaget additiva delar för racing-säsongen för Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro och Silverado-racingteam.

År 2021, genom sitt partnerskap med GKN Additive Forecast 3D, skrev företaget ut 60 000 flexibla “spoiler closeout seals” för att färdigställa 30 000 Chevrolet Tahoe SUV:ar på fem veckor. Den traditionella produktionsmetoden – formsprutning – hade kunnat ta mycket längre tid, upp till 10 veckor.

GM integrerade också 3D-utskrivna delar, inklusive två HVAC-kanaler och en hållare för elhärden, i Cadillac CT4-V och CT5-V Blackwing-fordon. I oktober 2022 annonserade de det mest ambitiösa hittills: $300 000 Cadillac CELESTIQ EV, som skulle använda metalladditiv tillverkning i stor utsträckning för skräddarsydda beställningar.

Enligt dess årsredovisning för räkenskapsåret som avslutades den 31 december 2023 rapporterade GM en omsättning på 171,8 miljarder dollar, ett nettoresultat som kan hänföras till aktieägarna på 10,1 miljarder dollar och ett justerat EBIT på 12,4 miljarder dollar.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG är en av världens största tillverkare av kommersiella fordon. Med över 40 produktionsanläggningar världen över och mer än 100 000 anställda erbjuder de lätta, medel- och tunga lastbilar, stad- och intercitybussar, coachbussar och busschassin.

Företaget påstår att de har haft enorm nytta av sin innovativa 3D-utskriftsteknik. Dess nästan 30 år av erfarenhet av 3D-utskrift av prototyper har nu överförts till serieproduktion med högkvalitativa standarder. Genom att använda 3D-utskrift kan Daimlers bussdivision snabbt, flexibelt, ekonomiskt och miljövänligt reagera på akuta kundkrav, inklusive produktion av specialkomponenter såsom lock, handtag och ett brett sortiment av individuella fästen.

Daimlers “Centre of Competence for 3D Printing” började 2019 granska över 300 000 befintliga bussreservdelar i detalj för att bedöma deras lämplighet som 3D-utskrivna delar. Företaget har nu en fullfjädrad Additive Manufacturing Solutions‑avdelning som har lett till upp till 80 % minskning av inköps tiden, identifierat över 7 000 potentiella 3D‑print‑komponenter och tagit fram en portfölj med över 400 godkända reservdelar som kan 3D‑skrivas ut.

Enligt Ralf Anderhofstadt, chef för Centre of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media på Daimler Buses, har företagets aktiviteter inom additiv tillverkning, den “enorma potentialen hos teknologin längs hela värdekedjan”, blivit tydliga steg för steg.“ Så ser Ralf på det, möjligheterna för Daimlers verksamhet, liksom för dess kunder, sträcker sig från besparingspotential till nya affärsmodeller. 

År 2023 rapporterade Daimler Truck en omsättning på 55 890 miljoner euro, en betydande ökning från 2022 års siffra på 50 945 miljoner euro. 

Framtidsutsikterna

Åsikten är fortfarande delad om huruvida 3D-utskrift helt kommer att ta över biltillverkning i framtiden. Enligt Robert Willig, verkställande direktör, VD, SME, tidigare Society of Manufacturing Engineers, kanske det inte blir någon ‘gigantisk fabrik med annat än skrivare.’

Dock, enligt Luke Czinger, medgrundare och COO för Divergent Technologies, som för närvarande arbetar med sex biltillverkare, inklusive Mercedes-Benz, Aston Martin, Bugatti och McLaren, kan 3D-utskrift, främst av fjädrings- och förstärkningskomponenter, förbättra prestandan hos elfordon.

“EV-historien är övertygande för räckvidd. Om du kan spara 20 % till 30 % av massan på din chassistruktur kan du antingen öka räckvidden eller minska paketets storlek. Vanligtvis är detta verkligen betydelsefullt för lönsamheten i dessa lägre kostnads‑EVs. Dessutom har du hållbarhetsaspekten. Om du gör ett lättare fordon får du mindre däckslitage, men du använder också mindre aluminium och mindre CO₂ i tillverkningsprocessen.”

– Czinger

Forskare tror att styrkan med 3D-utskrift i bilproduktion är att den kan eliminera användningen av överskottsmaterial och därmed onödigt avfall, samt behovet av långa transportvägar och lagringsutrymmen, vilket i stor grad minskar miljöpåverkan.

Sammanfattningsvis är det en lovande hållbar tillverkningsmetod. Dock måste den hantera några flaskhalsar för att bli riktigt framgångsrik. Till exempel måste den ha god kontroll över produktkvaliteten. Den måste eliminera behovet av omfattande efterbehandling, förbättra produktvolymen och ta itu med bristen på standarder.

För en framgångsrik tillämpning av 3D-utskrift i bilindustrin krävs standardiserade processer och material. Bristen på universella standarder kan hindra interoperabiliteten mellan olika 3D-skrivare och mjukvara, vilket gör det svårt att uppnå samma prestanda även under identiska processparametrar.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna inom additiv tillverkning och 3D-utskrift.