A fabricação de automóveis é um importante campo de aplicação da tecnologia de impressão 3D de metal. Desde a rápida produção de protótipos, acelerando assim a eficiência da pesquisa e desenvolvimento de novos carros, até a produção direta de peças em pequenos lotes, encurtando a cadeia de suprimentos e economizando custos, a impressão 3D pode ser descrita como uma importante tecnologia complementar na indústria automotiva. Além disso, as vantagens exclusivas da impressão 3D na fabricação de peças complexas podem simplificar o número de peças automotivas, reduzir o peso e economizar materiais. Pode-se dizer que a tecnologia de impressão 3D tem muitas vantagens para a fabricação de automóveis. Dito isto, a tecnologia até agora não foi amplamente utilizada no campo. Isso se deve à capacidade de fabricar peças mais rápidas, baratas e complexas -- é assim que os carros do futuro serão construídos.
Manufatura Aditiva na Indústria Automotiva
No mundo automotivo, os primeiros adotantes da manufatura aditiva não foram as próprias montadoras, mas as equipes que elas patrocinavam. Por décadas, empresas da Ford à Ferrari usaram carros de corrida como incubadoras para testar novas tecnologias. Muitos dos recursos padrão em carros novos agora – frenagem regenerativa em híbridos, ignição por botão e até espelhos – podem ser rastreados até suas raízes. O mesmo princípio se aplica à impressão 3D, especialmente à impressão em metal. As equipes de Fórmula 1, a World Endurance Challenge Racing Team, as equipes de Fórmula E e muito mais experimentaram em primeira mão os benefícios da manufatura aditiva – iteração rápida de projetos, prototipagem rápida e redução de componentes – todos disponíveis para melhorar o desempenho do seu veículo na pista.
A fusão de leito de pó a laser é melhor para aplicações de baixo volume e alto valor (Impressão 3D SLM)
O sistema de impressão 3D mais usado até hoje, a fusão de leito de pó a laser, usa um laser para derreter pó de metal fino camada por camada até que a peça seja fabricada. Esta tecnologia pode fabricar peças metálicas com rapidez e precisão e tem sido amplamente utilizada no campo da fabricação de automóveis na última década. BMW, Ford, Volkswagen, Mercedes-Benz e outras empresas estabeleceram casos típicos no uso dessa tecnologia e alcançaram produção em massa sob certas condições, mas a maioria das peças envolvidas nesses casos ainda está limitada a marcas de ponta , e o valor total ainda é limitado.
A razão ainda é inseparável dos requisitos de campo para custo, material e velocidade. O equipamento de fusão de leito de pó a laser requer um investimento inicial significativo – US$ 1 milhão ou mais para todo o sistema – e produz apenas 1 tonelada de peças por ano, o que não é suficiente para justificar o custo. Além disso, embora a impressão 3D flexibilize a fabricação de peças metálicas, a impressão é apenas o primeiro passo, sendo necessária uma série de processos de pós-processamento, como a remoção do suporte, o que aumenta ainda mais o custo da peça.
Até o momento, uma gama de aplicações de alto valor no campo automotivo deriva das significativas vantagens de fabricação da tecnologia de fusão em leito de pó a laser - as características de integração, alta precisão e fabricação complexa. Por exemplo, a General Motors usou design generativo e impressão 3D para combinar oito componentes do suporte de assento tradicional do carro em um componente, Bugatti usou tecnologia de impressão 3D para fabricar a nova pinça de freio Chiron e a Porsche 3D imprimiu um motor de liga de alumínio com uma série de projetos inovadores. Protótipos Shell, suportes de capota macio impressos em lote da BMW para o carro esportivo i8 Roadster e muito mais. Esses casos, seja para protótipo ou uso final, são inseparáveis das características únicas de fabricação da tecnologia de fusão em leito de pó a laser. Mas há também uma característica de que essas aplicações são muito limitadas, quase todas pertencem a marcas de ponta e raramente atendem aos requisitos de fabricação em massa de baixo custo nesse campo.
Impressão 3D de metal de mesa baseada em extrusão para prototipagem (Impressão 3D FDM)
As impressoras 3D de desktop de metal baseadas em extrusão apresentam um design amigável ao escritório que elimina o risco de poeira e exposição a laser e é uma solução de ponta a ponta mais fácil de usar.
Para usuários nos estágios iniciais de projeto e fabricação de novos veículos, as impressoras 3D de metal de mesa são 10 vezes mais baratas do que os equipamentos tradicionais de leito de pó e têm operabilidade fácil e rápida. Esses sistemas podem prototipar rapidamente um grande número de peças internamente, testar rapidamente diferentes ideias e explorar novas possibilidades estruturais, economizando tempo e dinheiro durante ciclos de projeto longos e caros. Em última análise, projetos melhores podem ser apresentados a custos de desenvolvimento mais baixos e as empresas podem passar rapidamente do projeto e da verificação para a produção, acelerando o tempo de colocação no mercado. A operabilidade flexível também ajuda a reduzir custos, pois reduz o desperdício de material e não requer pessoal especializado para operar a máquina.
A liberdade geométrica proporcionada pela impressão 3D também permite que os fabricantes criem protótipos rápidos e explorem novos designs de pistão, eliminando a necessidade de terceirizar o trabalho. A prototipagem de peças em uma impressora de metal de mesa também facilita uma transição suave para a produção em volume, pois sistemas de alto volume, como o jateamento de ligante, são capazes de produzir designs igualmente complexos.
A impressão 3D Binder Jet Metal é mais adequada para a fabricação de peças de alto volume (tecnologia 3DP)
A característica mais proeminente do processo de jato de ligante é que ele pode alcançar a produção em massa de impressão 3D de metal. O preço dos equipamentos baseados nesse processo é menor do que o das impressoras 3D a laser tradicionais, e a velocidade de impressão é dezenas ou até centenas de vezes maior do que os equipamentos de fusão de leito de pó de quatro lasers. O material utilizado é o pó MIM tradicional, que é mais barato que o pó esférico, e o custo de fabricação das peças também é dezenas de vezes menor do que as peças impressas em 3D a laser. Portanto, o processo de jateamento de ligante supera a impressão 3D de metal em termos de custo do equipamento, custo do pó e eficiência de impressão, embora o desempenho da peça seja um pouco menor, mas ainda possui o mesmo nível das peças moldadas por injeção. Portanto, esta tecnologia é mais adequada para realizar a fabricação de peças de alto volume.
Com base nas vantagens acima, os principais OEMs automotivos atuais estão acelerando o uso dessa tecnologia. Os principais desenvolvedores de impressão 3D de metal de jateamento de aglutinantes garantiram parcerias com grandes marcas da indústria automotiva: a Volkswagen está trabalhando ativamente com a HP, a Ford também está usando a tecnologia de jateamento de aglutinante da ExOne para fabricar peças automotivas e a Desktop Metal ganhou recentemente Uma montadora alemã ganhou um prêmio Contrato de US$ 7,9 milhões, e a indústria especula que o cliente pode ser o BMW Group.
Para peças que precisam ser produzidas em massa, outra vantagem da impressão 3D de metal a jato de ligante é ainda mais pronunciada - fabricação sem molde. A tecnologia elimina a necessidade de moldes, permitindo que os engenheiros levem projetos já aprimorados - seja por impressão 3D de metal de extrusão de mesa ou métodos tradicionais de prototipagem - para produção em massa com impressão 3D de metal a jato de ligante. Velocidades de impressão que são competitivas com os processos tradicionais de fabricação em larga escala, a impressão 3D de metal a jato de ligante permite que milhares de peças sejam produzidas em um único trabalho a um preço e velocidade de produção que podem competir com processos como fundição, forjamento e usinagem. Essa velocidade, aliada ao uso de pós MIM de baixo custo e fácil pós-processamento, permite que o processo produza peças que podem custar até 20 vezes menos por peça do que outros processos de impressão 3D e tornam a manufatura aditiva uma opção viável para fundição, forjamento e usinagem. Uma opção viável.
Os avanços na tecnologia de impressão 3D criaram novas oportunidades em todas as fases do ciclo de vida da fabricação automotiva – desde protótipos funcionais até produção de médio volume, pós-venda e peças de reposição. E a maioria dessas oportunidades está relacionada à velocidade de produção e complexidade da peça, ou ambas. Por não ser limitada pela fabricação tradicional, a impressão 3D permite que designers e engenheiros entrem em um novo e vasto espaço de design e criem peças cada vez mais complexas.
Quando as peças otimizadas se deparam com a produção em massa, materiais, eficiência de moldagem e preço tornam-se os fatores limitantes que impedem a aplicação generalizada da tecnologia de impressão 3D, e as vantagens não podem ser refletidas. O desenvolvimento de novas tecnologias quebrou essas barreiras, permitindo que estruturas otimizadas fossem realizadas em larga escala e de forma eficiente e econômica.