John Deere stapt over op 3D-printen voor efficiëntere motoronderdelen

De nieuwe John Deere-tractoren die van de productielijn rollen in Mannheim, Duitsland, hebben een primeur voor het bedrijf: een metalen 3D-geprint motoronderdeel.

De wereldwijde fabrikant van landbouw- en grasmatapparatuur is geen onbekende in 3D-printen en gebruikt het al meer dan 20 jaar om duizenden prototypes, gereedschappen, mallen en armaturen te maken in zijn wereldwijde fabrieken. Maar de 3D-geprinte roestvrijstalen klep in het brandstofsysteem van de tractor is een nieuwe richting en maakt deel uit van wat het bedrijf zijn Smart Industrial Strategy noemt.

John Deere, gelanceerd in 2020, kondigde zijn visie aan om snel nieuwe technologieën te integreren in drie aandachtsgebieden: productiesystemen, hun technologiestapel en levenscyclusoplossingen.

3D-printen maakt deel uit van deze visie en deze klep is een van de eerste vruchten. Het is efficiënter dan wanneer het traditioneel zou worden vervaardigd. Het is ongeveer 50% goedkoper en aanzienlijk kleiner, met minder materiaal. Maar dit is nog maar het begin van de reden waarom John Deere ervoor koos om dit onderdeel in 3D te printen.

De eerste van vele 3D-geprinte onderdelen

De nieuwe thermische omschakelklep op de nieuwste versies van John Deere 6R- en 6M-tractoren is niet alleen een innovatieve toepassing van steeds toegankelijker wordende 3D-printtechnologie voor metaal, het is het hoogtepunt van ongeveer twee jaar R&D.

Het begon met een uitdaging om ervoor te zorgen dat John Deere-tractoren zouden presteren in koude omgevingen. Ingenieurs kregen de opdracht een klep te ontwikkelen die de brandstoftemperatuur kon handhaven zonder de motorprestaties te beïnvloeden.

"Eerst begin je met wat je wilt dat het onderdeel doet", zegt Udo Scheff, technisch directeur voor de kleine en middelgrote tractoren van John Deere, "en werk je aan het optimaliseren van de computationele vloeistofdynamiek en simuleer je deze in de virtuele wereld. in digitale ontwerpen voor een prototypemodel.”

Het geïdealiseerde prototypemodel, het model dat de brandstof met de grootste efficiëntie liet stromen, had afgeronde, gladde interne kanalen. Een functie, zegt Scheff, is alleen mogelijk met 3D-printen.

“Als je in vloeistofdynamica twee boorgaten hebt die elkaar kruisen, heb je altijd scherpe hoeken als je verspanende gereedschappen gebruikt. Met 3D-printen kun je ronde hoeken hebben, en dat is het element dat ons weer een stap verder heeft gebracht in de optimalisatie van de klep.”

Om te testen of het onderdeel zou werken zoals verwacht, werkten ingenieurs bij John Deere samen met personeel voor additive manufacturing in Duitsland GKN-additief (voorspelling 3D), een digitale fabrikant van metalen onderdelen en materialen, om het ontwerp van de brandstofklep voor metaal 3D-printen verder te optimaliseren. GKN printte prototype kleppen in staal op de nieuwe metalen 3D-printer van HPHPQ
Metal Jet S100-oplossing. Deze printer maakt gebruik van een van de metalen 3D-printtechnologieën – er zijn er meerdere – genaamd bindmiddel spuiten, waar een metaalpoeder laag over laag wordt samengevoegd met een bindmiddel om een ​​onderdeel te vormen dat vervolgens wordt gesinterd in een oven van industriële kwaliteit. Daarna wordt het onderdeel machinaal bewerkt en geassembleerd.

De thermische omschakelklep onderging rigoureuze tests om de vereiste buiskwaliteit te garanderen, die gelijk is aan machinaal bewerkt of gegoten metaal. Het testen van het onderdeel in de praktijk was ook een succes.

"Dus dit is het punt waarop we moesten beslissen hoe we dit onderdeel gingen vervaardigen om aan de materiaaleigenschappen en andere vereisten te voldoen", zegt Scheff, die ook rekening moest houden met zijn strakke deadline voor dit onderdeel, hoeveel gereedschap zou kosten, en hoe het onderdeel in de assemblageworkflow zou passen.

"En toen besloten we, oké, als dit 3D-geprinte onderdeel werkt in tests en de additieve fabricage kostenefficiënt is, dan zal het ook in productie werken", zegt Scheff.

Door prototypen te maken in hetzelfde materiaal en met dezelfde methode die zullen worden gebruikt voor het uiteindelijke productieonderdeel, krijgen ingenieurs meer zekerheid over de prestaties. "We hebben voor het metaljet-proces van HP gekozen omdat het veel sneller is dan andere 3D-printprocessen voor metaal", voegt Jochen Müller, John Deere's global digital engineering manager, toe. "We ontdekken mogelijkheden om efficiëntere, betrouwbaardere en duurzamere apparatuur te leveren, en HP heeft ons daarvoor de perfecte oplossing geboden."

Metaal 3D-printen met productievolumes

Momenteel worden meer dan 4,000 kleppen van GKN naar de tractorfabriek van John Deere verscheept voor eindmontage tegen een prijs per onderdeel die lager is dan bij smeden of frezen. Tractoren met dit 3D-geprinte onderdeel staan ​​al letterlijk in het veld.

Müller zegt dat een ander voordeel van het 3D-printen van dit specifieke onderdeel in plaats van het gebruik van traditionele methoden, extra flexibiliteit in het productieproces is. Omdat voor 3D-printen geen matrijzen of gereedschappen nodig zijn, waren prototypen van onderdelen sneller en goedkoper te maken, wat het ontwerpproces versnelde. Het ontwerp kan op elk moment worden aangepast en verbeterd. Bovendien is er geen permanente inventaris nodig als het gaat om vervangende onderdelen. Het digitale bestand van deze waarde kan met HP Metal Jet-technologie naar elke externe fabrikant worden gestuurd en relatief lokaal en snel worden geproduceerd.

Hoewel een volledige digitale inventaris van reparatie- en reserveonderdelen voor huidige en oudere John Deer-apparatuur nog een toekomstproject is, ziet het bedrijf nu al de potentiële voordelen.

"We hebben een enorme reserveonderdelenorganisatie die zeer, zeer geïnteresseerd is in 3D-printen", zegt Müller. Het bedrijf denkt al na over welke en hoeveel reserveonderdelen kunnen worden omgezet in 3D-printbare digitale bestanden, waardoor opslag overbodig zou worden. "Meestal hebben we reserveonderdelen voor ongeveer 20 jaar op voorraad, soms zelfs langer, en het is heel moeilijk te voorspellen wat we met de beschikbare voorraad moeten doen en hoe we de voorraad moeten aanvullen als ze opraken."

Naast het op aanvraag 3D-printen van reserveonderdelen, ziet Müller een toekomst voor zich waarin John Deere versleten of kapotte onderdelen kan analyseren en aangepaste onderdelen in 3D kan printen die zijn versterkt voor individuele gebruikssituaties.

3D-printen bewezen door middel van prototypen

John Deere begon, net als veel andere productie- en automobielbedrijven, met 3D-printen in hun technisch laboratorium met polymeerontwerpprototypes van onderdelen en voertuigconcepten.

Het bedrijf ontdekte al snel dat het van onschatbare waarde is in de ontwerpfase om fysieke modellen te hebben om te hanteren, te passen en te vergelijken met bestaande onderdelen. "Mensen van de lopende band kunnen controleren of uw conceptonderdeel productietechnisch haalbaar is", merkt Scheff op.

Deze prototypen zijn efficiënter en aanzienlijk sneller dan machinaal bewerken of uitsnijden van hout, een van de technieken die werd gebruikt voordat John Deere in 3 met 2000D-printen begon.

"Onze interne 3D-printmogelijkheden stellen onze ontwerpers in staat om hun ideeën gemakkelijk te testen en hun concepten te verifiëren in een zeer vroeg stadium van het ontwikkelingsproces", voegt Müller toe. “Het is een 'fail early'-mentaliteit. We willen alle concepten als fysieke modellen naar de vloer brengen en diverse groepen bij elkaar hebben om tot het juiste concept te komen. Dus 3D-printen en additive manufacturing in het algemeen stellen ons in staat om dat te doen.”

De thermische omleidklep is slechts de eerste van vele 3D-geprinte tractoronderdelen die komen gaan.

3D Printing Factory Jigs & Tools

3D-printers zijn te vinden in bijna elke John Deere-fabriek over de hele wereld en produceren 24/7 armaturen en fabrieksgereedschappen. Scheff zegt dat er nog steeds traditionele fabricage plaatsvindt omdat 3D-printen niet alles kan vervangen, maar als het gaat om onderdelen met unieke contouren of speciale gereedschappen, is 3D-printen de methode bij uitstek.

Fabrieksopspanningen zijn bijna altijd uniek voor een fabriekslijn en duur om in kleine hoeveelheden te bewerken. Om het 3D-printen van deze onderdelen te vergemakkelijken, heeft John Deere een wereldwijd netwerk van 3D-printers opgezet met verschillende printertechnologieën op verschillende locaties en grotere fabrieken voorzien in de behoeften van de kleinere fabrieken.

In elke fabriek van John Deere stelt de fabricage-engineeringafdeling, die belast is met het vinden van de meest efficiënte fabricageprocessen, nieuwe gereedschappen voor en bepaalt of deze het beste kunnen worden gemaakt met additieve of traditionele technologieën. Vervolgens ontwikkelt de digitale engineeringgroep van Müller de digitale modellen die worden teruggestuurd naar de fabriek om te 3D-printen of uit te besteden aan een lokale 3D-printservice.

Van prototypes tot uiteindelijke componenten, gereedschappen en reserveonderdelen, 3D-printen is een van de belangrijkste troeven van John Deere in zijn zoektocht naar een meer digitale en flexibele organisatie, zegt Müller. Het stelt ingenieurs in staat om concepten van idee tot fysiek onderdeel sneller te ontwikkelen door middel van rapid prototyping van onderdelen, en nu, met zijn nieuwste project, om efficiëntere motoronderdelen sneller en goedkoper op de markt te brengen.