John Deere henvender sig til 3D-printning af mere effektive motordele

De nye John Deere-traktorer, der ruller ud af produktionslinjen i Mannheim, Tyskland, har en førsteplads for virksomheden: en 3D-printet metalmotordel.

Den globale producent af landbrugs- og græstørvsudstyr er ikke fremmed for 3D-print, efter at have brugt det i mere end 20 år til at lave tusindvis af prototyper, værktøjer, jigs og inventar på tværs af sine globale fabrikker. Men den 3D-printede rustfri stålventil i traktorens brændstofsystem er en ny retning og en del af det, virksomheden kalder sin Smart Industrial Strategy.

John Deere blev lanceret i 2020 og annoncerede sin vision om hurtigt at integrere nye teknologier i tre fokusområder: produktionssystemer, deres teknologistabel og livscyklusløsninger.

3D-print er en del af denne vision, og denne ventil er en af ​​dens første frugter. Det er mere effektivt, end hvis det var traditionelt fremstillet. Det er omkring 50 % billigere og væsentligt mindre, idet der bruges mindre materiale. Men dette ridser bare i overfladen af, hvorfor John Deere valgte at 3D-printe denne del.

Den første af mange 3D-printede dele

Den nye termiske afledningsventil på de nyeste versioner af John Deere 6R og 6M traktorer er ikke kun en innovativ anvendelse af stadig mere tilgængelig metal 3D print teknologi, det er kulminationen på omkring to års forskning og udvikling.

Det startede med en udfordring for at sikre, at John Deere-traktorer ville præstere i kolde omgivelser. Ingeniører fik til opgave at udvikle en ventil, der kunne opretholde brændstoftemperaturer uden at påvirke motorens ydeevne.

"Først starter du med det, du ønsker, at delen skal gøre," siger Udo Scheff, ingeniørdirektør for John Deeres små og mellemstore traktorer, "og arbejder gennem optimering af den beregningsmæssige væskedynamik og simulerer den i den virtuelle verden, så overfører du det ind i digitale designs til en prototypemodel."

Den idealiserede prototypemodel, den der lod brændstoffet flyde med den største effektivitet, havde afrundede, glatte indre kanaler. En funktion, siger Scheff, er kun mulig at skabe med 3D-print.

”I fluiddynamik, når du har to borehuller, der krydser hinanden, har du altid skarpe hjørner, hvis du bruger bearbejdningsværktøjer. Med 3D-print kan du have runde hjørner, hvilket er det element, der bragte os endnu et skridt op i optimering af ventilen."

For at teste, om delen ville fungere som forventet, arbejdede ingeniører hos John Deere med additiv fremstillingspersonale hos Tysklands GKN-additiv (prognose 3D), en digital producent af metaldele og materialer, for yderligere at optimere designet af brændstofventilen til metal 3D-print. GKN printede prototypeventiler i stål på den nye metal 3D-printer fra HPHPQ
, Metal Jet S100 løsning. Denne printer bruger en af ​​de metal 3D-printteknologier – der er flere – kaldet bindemiddelstråle, hvor et metalpulver sammenføjes med et bindemiddel lag på lag for at danne en del, der derefter sintres i en industriel ovn. Efterfølgende bearbejdes og samles delen.

Den termiske afledningsventil gennemgik strenge tests for at sikre den nødvendige rørkvalitet, som er lig med bearbejdet eller støbt metal. Felttest af delen var også en succes.

"Så dette er det punkt, hvor vi skulle beslutte, hvordan vi skulle fremstille denne del for at opfylde materielle egenskaber og andre krav," siger Scheff, som også skulle overveje sin stramme deadline for denne del, hvor meget værktøj ville koste, og hvordan delen ville passe ind i montageprocessen.

"Og det var da, vi besluttede, okay, hvis denne 3D-printede del fungerer i test, og den additive fremstilling er omkostningseffektiv, så vil den også fungere i produktionen," siger Scheff.

At skabe prototyper i det samme materiale og samme metode, som vil blive brugt til den endelige produktionsdel, giver ingeniører større sikkerhed for ydeevne. "Vi valgte metaljet-processen fra HP, fordi den er meget hurtigere end andre metal-3D-printprocesser," tilføjer Jochen Müller, John Deeres globale digitale ingeniørchef. "Vi opdager muligheder for at levere mere effektivt, pålideligt og bæredygtigt udstyr, og HP gav os den perfekte løsning til det."

Metal 3D-print ved produktionsvolumener

I øjeblikket sendes mere end 4,000 ventiler fra GKN til John Deere traktorfabrikken til slutmontage til en pris pr. del, der er mindre end smedning eller fræsning. Traktorer med denne 3D-printede del er allerede i marken, bogstaveligt talt.

Müller siger, at en anden fordel ved at 3D-printe denne særlige del i stedet for at bruge traditionelle metoder, er øget smidighed i fremstillingsprocessen. Fordi 3D-print ikke kræver forme eller værktøjer, var delprototyper hurtigere og billigere at skabe, hvilket accelererede designprocessen. Designet kan til enhver tid justeres og forbedres. Plus, når det kommer til reservedele, er det ikke nødvendigt med en stående beholdning. Den digitale fil med denne værdi kan sendes til enhver tredjepartsproducent med HP Metal Jet-teknologi og produceres relativt lokalt og hurtigt.

Selvom en komplet digital beholdning af reparationer og reservedele til nuværende og ældre John Deer-udstyr stadig er et fjernt fremtidigt projekt, ser virksomheden allerede de potentielle fordele.

"Vi har en kæmpe reservedelsorganisation, som er meget, meget interesseret i 3D-print," siger Müller. Allerede nu tænker virksomheden på, hvilke og hvor mange reservedele der kan konverteres til 3D-printbare digitale filer, hvilket ville eliminere oplagring. "Normalt har vi reservedele på lager i omkring 20 år, nogle gange endda længere, og det er meget svært at forudsige, hvad man skal gøre med det tilgængelige lager, og hvordan man genopbygger lageret, hvis man løber tør."

Ud over 3D-print af reservedele på efterspørgsel, forestiller Müller sig en fremtid, hvor John Deere kan analysere slidte eller ødelagte dele og 3D-printe brugerdefinerede dele, der er forstærket til individuelle anvendelsestilfælde.

3D-print bevist gennem prototyping

John Deere begyndte, ligesom mange produktions- og bilvirksomheder, 3D-print i deres ingeniørlaboratorium med polymerdesignprototyper af dele og køretøjskoncepter.

Virksomheden lærte hurtigt, at det at have fysiske modeller til at håndtere, tilpasse og sammenligne med eksisterende dele er uvurderligt i designfasen. "Folk fra samlebåndet kan tjekke, om din konceptdel er gennemførlig ud fra et produktionsperspektiv," bemærker Scheff.

Disse prototyper er mere effektive og og betydeligt hurtigere end bearbejdning eller udskæring af træ, som var en af ​​de teknikker, der blev brugt, før John Deere startede 3D-print i 2000.

"Vores interne 3D-printfunktioner giver vores designere mulighed for nemt at teste deres ideer og verificere deres koncepter på et meget tidligt tidspunkt i udviklingsprocessen," tilføjer Müller. "Det er en 'fail early' type tankegang. Vi ønsker at bringe alle koncepter til gulvet som fysiske modeller og have forskellige grupper sammen for at komme ud med det rigtige koncept. Så 3D-print og additiv fremstilling i almindelighed giver os mulighed for at gøre det."

Den termiske omledningsventil er blot den første af mange 3D-printede traktordele, der kommer.

3D Print Factory Jigs & Tools

3D-printere findes på næsten alle John Deere-fabrikker verden over, der kasserer armaturer og fabriksværktøjer 24/7. Scheff siger, at der stadig foregår traditionel fremstilling, fordi 3D-print ikke kan erstatte alt, men når det kommer til dele med unikke konturer eller specialværktøj, er 3D-print den foretrukne metode.

Fabriksinventar er næsten altid unikt for en fabrikslinje og dyrt at bearbejde i små mængder. For at lette 3D-printning af disse dele etablerede John Deere et globalt netværk af 3D-printere med forskellige printerteknologier på forskellige lokationer, og større fabrikker tjener de mindre fabrikkers behov.

På hver John Deere-fabrik foreslår produktionsingeniørafdelingen, som har til opgave at finde de mest effektive fremstillingsprocesser, nye værktøjer og afgør, om de bedst er lavet med additive eller traditionelle teknologier. Derefter udvikler Müllers digitale ingeniørgruppe de digitale modeller, der sendes tilbage til fabrikken for at 3D-printe eller outsource til en lokal 3D-printtjeneste.

Fra prototyper til endelige komponenter, værktøjer og reservedele er 3D-print et af John Deeres store aktiver i sin søgen efter at være en mere digital og agil organisation, siger Müller. Det gør det muligt for ingeniører at udvikle koncepter fra idé til fysisk del hurtigere gennem hurtig prototyping af dele, og nu, med sit seneste projekt, at bringe mere effektive motordele på markedet hurtigere og billigere.