John Deere passa alla stampa 3D di parti del motore più efficienti
Il nuovo trattore della serie 6R di John Deere presenta una valvola del carburante stampata in 3D.
I nuovi trattori John Deere che escono dalla linea di produzione di Mannheim, in Germania, hanno una novità per l’azienda: una parte metallica del motore stampata in 3D.
Il produttore globale di attrezzature per l’agricoltura e il verde non è estraneo alla stampa 3D, avendola utilizzata per più di 20 anni per realizzare migliaia di prototipi, strumenti, maschere e dispositivi nei suoi stabilimenti globali. Ma la valvola in acciaio inossidabile stampata in 3D nel sistema di alimentazione del trattore è una nuova direzione e parte di quella che l’azienda chiama la sua strategia industriale intelligente.
Lanciata nel 2020, John Deere ha annunciato la sua visione di integrare rapidamente nuove tecnologie in tre aree di interesse: sistemi di produzione, il loro stack tecnologico e soluzioni per il ciclo di vita.
La stampa 3D fa parte di questa visione e questa valvola è uno dei suoi primi frutti. È più efficiente che se fosse prodotto tradizionalmente. È circa il 50% più economico e significativamente più piccolo, utilizzando meno materiale. Ma questo è solo un graffio superficiale del motivo per cui John Deere ha scelto di stampare in 3D questa parte.
John Deere ha stampato in 3D migliaia di valvole deviatrici termiche per le sue nuove serie 6R e 6M … [+]
La prima di molte parti stampate in 3D
La nuova valvola deviatrice termica sulle ultime versioni dei trattori John Deere 6R e 6M non è solo un’applicazione innovativa della tecnologia di stampa 3D in metallo sempre più accessibile, è il culmine di circa due anni di ricerca e sviluppo.
È iniziato con una sfida per garantire che i trattori John Deere funzionassero in ambienti freddi. Gli ingegneri avevano il compito di sviluppare una valvola in grado di mantenere la temperatura del carburante senza influire sulle prestazioni del motore.
“In primo luogo, si inizia con ciò che si desidera che la parte faccia”, afferma Udo Scheff, direttore tecnico per i trattori di piccole e medie dimensioni di John Deere, “e si lavora ottimizzando la fluidodinamica computazionale e simulandola nel mondo virtuale, quindi si trasferisce quella in progetti digitali per un modello prototipo.”
Il modello prototipo idealizzato, quello che lasciava scorrere il carburante con la massima efficienza, aveva canali interni arrotondati e lisci. Una caratteristica, afferma Scheff, è possibile creare solo con la stampa 3D.
“Nella fluidodinamica, quando si hanno due fori che si intersecano, si hanno sempre spigoli vivi se si utilizzano utensili di lavorazione. Con la stampa 3D, puoi avere angoli arrotondati, che è l’elemento che ci ha portato un altro passo avanti nell’ottimizzazione della valvola.
Per verificare se la parte avrebbe funzionato come previsto, gli ingegneri di John Deere hanno lavorato con il personale di produzione additiva della tedesca GKN Additive (Forecast 3D) , un produttore digitale di parti e materiali metallici, per ottimizzare ulteriormente il design della valvola del carburante per la stampa 3D in metallo . GKN ha stampato prototipi di valvole in acciaio sulla nuova stampante 3D in metallo di HPHPQ +0,4%, la soluzione Metal Jet S100 . Questa stampante utilizza una delle tecnologie di stampa 3D in metallo – ce ne sono diverse – chiamata binder jetting , in cui una polvere metallica viene unita con un agente legante strato su strato per formare una parte che viene poi sinterizzata in un forno di livello industriale. Successivamente, la parte viene lavorata e assemblata.
Ingegneri progettisti presso lo stabilimento John Deere di Mannheim, in Germania.
La valvola deviatrice termica è stata sottoposta a test rigorosi per garantire la qualità del tubo richiesta, che è pari al metallo lavorato o microfuso. Anche il test sul campo della parte è stato un successo.
“Quindi questo è il punto in cui abbiamo dovuto decidere come avremmo prodotto questa parte per soddisfare le proprietà del materiale e altri requisiti”, afferma Scheff, che ha dovuto anche considerare la sua scadenza ravvicinata per questa parte, quanto sarebbe costato l’attrezzatura, e come la parte si adatterebbe al flusso di lavoro dell’assieme.
“Ed è allora che abbiamo deciso, ok, se questa parte stampata in 3D funziona nei test e la produzione additiva è conveniente, allora funzionerà anche in produzione”, afferma Scheff.
La creazione di prototipi nello stesso materiale e metodo che verrà utilizzato per la parte di produzione finale offre agli ingegneri maggiori garanzie di prestazioni. “Abbiamo scelto il processo a getto di metallo di HP perché è molto più veloce di altri processi di stampa 3D in metallo”, aggiunge Jochen Müller, Global Digital Engineering Manager di John Deere. “Stiamo scoprendo opportunità per fornire apparecchiature più efficienti, affidabili e sostenibili e HP ci ha fornito la soluzione perfetta per questo”.
La nuova valvola deviatrice termica del trattore John Deere stampata in 3D garantisce temperature del carburante costanti.
Stampa 3D in metallo a volumi di produzione
Attualmente, più di 4.000 valvole vengono spedite da GKN alla fabbrica di trattori John Deere per l’assemblaggio finale a un prezzo per parte inferiore a quello della forgiatura o della fresatura. I trattori con questa parte stampata in 3D sono già sul campo, letteralmente.
Müller afferma che un altro vantaggio della stampa 3D di questa particolare parte invece di utilizzare metodi tradizionali, è la maggiore agilità nel processo di produzione. Poiché la stampa 3D non richiede stampi o strumenti, i prototipi delle parti sono stati più veloci ed economici da creare, il che ha accelerato il processo di progettazione. Il design può essere modificato e migliorato in qualsiasi momento. Inoltre, quando si tratta di pezzi di ricambio, non è necessario alcun inventario permanente. Il file digitale di questo valore può essere inviato a qualsiasi produttore di terze parti con tecnologia HP Metal Jet e prodotto relativamente localmente e rapidamente.
Sebbene un inventario digitale completo di parti di ricambio e di riparazione per le attrezzature John Deer attuali e precedenti sia ancora un progetto per un futuro lontano, l’azienda vede già i potenziali vantaggi.
“Abbiamo un’enorme organizzazione di pezzi di ricambio che è molto, molto interessata alla stampa 3D”, afferma Müller. L’azienda sta già pensando a quali e quanti pezzi di ricambio possono essere convertiti in file digitali stampabili in 3D, il che eliminerebbe il magazzino. “Di solito, abbiamo pezzi di ricambio in magazzino per circa 20 anni, a volte anche di più, ed è molto difficile prevedere cosa fare con lo stock disponibile e come rifornire lo stock se si esaurisce.”
Oltre alla stampa 3D di pezzi di ricambio su richiesta, Müller immagina un futuro in cui John Deere può analizzare parti usurate o rotte e stampare in 3D parti personalizzate rinforzate per casi d’uso individuali.
Stabilimento di assemblaggio di trattori John Deere a Mannheim, in Germania.
JOHN DEERE
Stampa 3D dimostrata attraverso la prototipazione
John Deere, come molte aziende manifatturiere e automobilistiche, ha iniziato la stampa 3D nel proprio laboratorio di ingegneria con prototipi di progettazione polimerica di parti e concetti di veicoli.
L’azienda ha imparato rapidamente che disporre di modelli fisici da gestire, adattare e confrontare con le parti esistenti ha un valore inestimabile nella fase di progettazione. “Le persone della catena di montaggio possono verificare se la tua parte concettuale è fattibile dal punto di vista della produzione”, osserva Scheff.
Questi prototipi sono più efficienti e significativamente più veloci rispetto alla lavorazione o all’intaglio del legno, che era una delle tecniche utilizzate prima che John Deere iniziasse la stampa 3D nel 2000.
“Le nostre capacità interne di stampa 3D consentono ai nostri progettisti di testare facilmente le loro idee e verificare i loro concetti in una fase molto precoce del processo di sviluppo”, aggiunge Müller. “È un tipo di mentalità da ‘fallire presto’. Vogliamo portare tutti i concetti sul pavimento come modelli fisici e avere diversi gruppi insieme per uscire con il concetto giusto. Quindi la stampa 3D e la produzione additiva, in generale, ci consentono di farlo”.
La valvola di deviazione termica è solo la prima di molte parti del trattore stampate in 3D a venire.
Le parti stampate in 3D in John Deere iniziano come modelli digitali.
Maschere e strumenti per fabbrica di stampa 3D
Le stampanti 3D si trovano in quasi tutte le fabbriche John Deere in tutto il mondo che sfornano dispositivi e strumenti di fabbrica 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Scheff afferma che è ancora in corso la produzione tradizionale perché la stampa 3D non può sostituire tutto, ma quando si tratta di parti con contorni unici o attrezzature speciali, la stampa 3D è il metodo di scelta.
Gli impianti di fabbrica sono quasi sempre unici per una linea di fabbrica e costosi da lavorare in piccole quantità. Per facilitare la stampa 3D di queste parti, John Deere ha istituito una rete globale di stampanti 3D con diverse tecnologie di stampa in varie località e le fabbriche più grandi soddisfano le esigenze delle fabbriche più piccole.
In ogni stabilimento John Deere, il dipartimento di ingegneria della produzione, che ha il compito di trovare i processi di produzione più efficienti, propone nuovi strumenti e determina se sono realizzati al meglio con tecnologie additive o tradizionali. Quindi, il gruppo di ingegneria digitale di Müller sviluppa i modelli digitali che vengono inviati alla fabbrica per la stampa 3D o esternalizzati a un servizio di stampa 3D locale.
Dai prototipi ai componenti finali, strumenti e pezzi di ricambio, la stampa 3D è una delle principali risorse di John Deere nella sua ricerca di un’organizzazione più digitale e agile, afferma Müller. Consente agli ingegneri di sviluppare i concetti dall’idea alla parte fisica più velocemente attraverso la prototipazione rapida delle parti e ora, con il suo ultimo progetto, di portare sul mercato parti del motore più efficienti in modo più rapido ed economico.
Carolyn Black da forbes.com
