Ứng dụng in 3D trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô

Ngành công nghiệp chế tạo ô tô, cùng với ngành hàng không vũ trụ và y tế là một trong ba lĩnh vực tiên phong ứng dụng hiệu quả công nghệ in 3D. Các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới đã trang bị các máy in 3D trong dây truyền sản xuất.

Các ý tưởng thiết kế dựa trên công nghệ in 3D ngày càng gia tăng. Điều này đã cho ra đời nhiều mẫu xe ô tô độc đáo. Đặc biệt là ứng dụng cho sản xuất hàng loạt.

Giới thiệu

Hiện nay, công nghệ in 3D đã và đang tác động mạnh mẽ đến một số lĩnh vực như hàng không vũ trụ, quốc phòng, y tế và ngành công nghiệp chế tạo ô tô.

Ngành ô tô là ngành công nghiệp lớn nhất thế giới với tốc độ tăng trưởng chóng mặt. Đây cũng là ngành công nghiệp ứng dụng nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật hàng đầu thế giới. Ví dụ như: cơ khí, động lực, vật liệu, tự động hóa, điện điện tử, điều khiển…Và công nghệ in 3D là một trong số đó.

Theo báo cáo của tổ chức Wohlers, năm 2018, ngành ô tô là ngành công nghiệp lớn thứ 3 sử dụng công nghệ in 3D. Đây cũng là một trong những ngành tiên phong sử dụng công nghệ in 3D. Các ứng dụng của công nghệ in 3D chiếm khoảng 16% trong tổng ngành công nghiệp chế tạo ô tô.

Hình 1. Ứng dụng của công nghệ in 3D trong các lĩnh vực khác nhau

Lợi ích mang lại từ công nghệ in 3D trong ngành ô tô

Nhờ sử dụng công nghệ in 3D trong tạo mẫu trước khi chế tạo sản phẩm cuối cùng. Các nhà sản xuất ô tô có thể kiểm tra chất lượng trước khi sản xuất hàng loạt. Các công ty có thể thử nghiệm nhiều mẫu khác nhau và lựa chọn mẫu tối ưu nhất.

Ví dụ: General Mortor sử dụng công nghệ thiêu kết laze SLS (Selective Laser Sintering) và công nghệ in 3D SLA (Stereolithography) để sản xuất hơn 20,000 các mẫu khác nhau. Công ty Dana kết hợp tạo mẫu nhanh và mô phỏng để nhanh chóng kiểm tra hình dáng và sự phù hợp của các mẫu thiết kế.

Trên thực tế, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đã đầu tư máy in 3D ngay khi chúng được thương mại hóa. Đó là thời điểm vào những năm 1980s. Việc tạo mẫu nhanh đóng một vai trò chủ đạo trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô. Sử dụng in 3D để tạo mẫu nhanh giúp tăng năng suất và rút ngắn chu kì phát triển sản phẩm.

Ưu và nhược điểm của công nghệ in 3D

Những ưu điểm chính của in 3D bao gồm: Khả năng tùy biến trong thiết kế. Giảm chất thải. Giảm chi phí vận chuyển. Đổi mới và sáng tạo thiết kế. Đây là những lợi ích to lớn của in 3D mang lại cho các nhà sản xuất!

So với phương pháp truyền thống thì công nghệ in 3D tồn tại các nhược điểm như sau: Khả năng ứng dụng sản xuất hàng loạt thấp do chi phí cao hơn và tốc độ sản xuất thấp hơn. Yêu cầu phải hoàn thiện bề mặt sản phẩm. Vật liệu sử dụng công nghệ in 3D vẫn còn hạn chế. Chi phí chế tạo vật liệu sử dụng cho công nghệ in 3D cũng cao hơn. Tuy nhiên, sự nghiên cứu và phát triển các vật liệu cho công nghệ in 3D vẫn đang tiếp diễn và được đẩy mạnh trên thế giới.

Phát huy tối đa khả năng của in 3D trong sản xuất ô tô

Trên thực tế, việc sử dụng công nghệ in 3D một cách hiệu quả trong trong ngành công nghiệp ô tô vẫn đang là thách thức lớn. Tuy nhiên, các nhu cầu ngày càng gia tăng đối với các sản phẩm tùy biến (customized products). Đặc biệt là trong thị trường cao cấp. Điều này làm gia tăng sự quan tâm của các hãng sản xuất ô tô đến công nghệ này. In 3D có khả năng sản xuất các mẫu, sản phẩm mà không cần các công cụ phụ trợ (như khuôn). Do đó, đẩy nhanh chu kỳ thiết kế và giảm chi phí.

In 3D tạo mẫu ô tô trong nghiên cứu phát triển sản phẩm

Ngày nay, các nhà sản xuất thiết bị gốc (Original Equipment Manufacturers, OEM) và các nhà cung cấp sử dụng công nghệ này để tăng cường các hoạt động của họ trong việc hỗ trợ ra quyết định ở giai đoạn thiết kế sản phẩm; kiểm định chất lượng sản phẩm trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm; phát triển các công cụ tùy chỉnh. Nhờ vậy cho phép rút ngắn thời gian để cho ra đời các mẫu xe mới.

Tối ưu thiết kế nhờ công nghệ in 3D

Bên cạnh đó, nhu cầu về xe hơi thân thiện hơn với môi trường đang là một vấn đề mới trong thiết kế ô tô và linh kiện của chúng. Các bộ phận và linh kiện của xe cần phải nhẹ hơn nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Đây là một miền ứng dụng rất phù hợp để in 3D phát huy ưu thế và sức mạnh của mình. Đặc biệt là thiết kế tối ưu hình dạng hình học.

In 3D xe đua

Ví dụ điển hình về tận dụng ưu điểm này đó là thiết kế những chiếc xe đua. Phân khúc của ngành ô tô mà công nghệ in 3D mang lại rất nhiều thuận lợi. Các đội đua xe công thức 1 (như Renault F1, Ferrari, và McLaren …) đã sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các bộ phận cho những chiếc xe đua của họ. Chặng hạn như vỏ xe, bánh xe, các bộ phận khí động học, hộp điện, giá treo máy ảnh… Trong đội đua xe công thức 1 của Renault, họ đã in hơn 900 chiếc mỗi mùa giải. Đội Indy và NASCAR cũng ứng dụng sử dụng công nghệ này.

In 3D ô tô cao cấp

Năm 2014, Local Motors và IMTS đã lần đầu tiên in thành công một chiếc ô tô bởi công nghệ in 3D (Hình 2). Toàn bộ khung xe, bánh xe, ghế ngồi … được chế tạo bởi in 3D. Ông Dick Elsy, giám đốc điều hành của Catapult, cho rằng: ứng dụng hợp lý tiếp theo cho in 3D là lĩnh vực ô tô cao cấp. Vì ngày nay, rất nhiều khách hàng tiềm năng sẵn sàng trả tiền để mua sản phẩm theo sở thích và ý tưởng của họ. Nhiều khách hàng sẵn sàng trả từ 30,000 đến 50,000 Bảng Anh cho loại sản phẩm này.

altHình 2. Ô tô Strati giới thiệu bởi IMTS trong năm 2014

Công nghệ in 3D tăng trưởng không ngừng

Vào tháng 11 năm 2008, Tập đoàn BMW đã công bố, một triệu linh kiện ô tô của hãng đã được in chỉ trong mười năm. Và việc sử dụng in 3D trong dây truyền sản xuất của họ không ngừng gia tăng. Từ năm 2010, hãng này đã nghiên cứu các quy trình in 3D vật liệu nhựa và kim loại. Lúc đầu, công nghệ này được sử dụng để sản xuất các bộ phận nhỏ như ròng rọc bơm nước. Vào năm 2012, các bộ phận kim loại của dòng xe Rolls-Royce Phantom cũng được in bởi công nghệ SLS. Năm 2019, trung tâm in 3D của Tập đoàn BMW dự kiến sẽ in hơn 200000 linh kiện, tăng 42% so với năm ngoái. Đây là một ví dụ điển hình về sự tăng trưởng của in 3D trong lĩnh vực chế tạo ô tô.

In 3D linh kiện ô tô hàng loạt

Đối với sản xuất hàng loạt, ông Jens Ertel – Giám đốc Trung tâm in 3D của Tập đoàn BMW cho biết: “Số lượng linh kiện được thiết kế và chế tạo bởi in 3D trong sản xuất hàng loạt tăng mạnh.

Chúng tôi đang theo dõi chặt chẽ sự phát triển và ứng dụng của phương thức sản xuất này. Một phần nhờ vào sự hợp tác với các nhà sản xuất máy in 3D. Đồng thời, chúng tôi đang tiến hành nghiên cứu đánh giá các hệ thống sản xuất tiên tiến”. Nhờ vậy, BMW đã in được một triệu linh kiện, đó là một kỳ tích!

Trong đó, chi tiết thứ một triệu của BMW được in 3D là đường ray dẫn hướng cửa sổ cho xe BMW i8 Roadster (Hình 3). Nó cho phép cửa kính hoạt động trơn tru. Bộ phận này đã được đưa vào sản xuất hàng loạt với tần suất lên đến 100 chiếc/24 giờ.

altHình 3. Đường ray dẫn hướng cửa sổ cho BMW i8 Roadster được chế tạo bởi in 3D

BMW in 3D trong phiên bản độc đáo của xe M850i Drive

Gần đây, BMW đã tiết lộ một phiên bản độc đáo của xe M850i Drive. Một số bộ phận của nó được làm bằng đá thiên thạch. Chiếc xe được đặt tên là M850i Night Sky. Hãng này đã làm việc với Viện nghiên cứu Max Planck cùng nhau thiết kế. Chúng bao gồm: nút khởi động, bộ chuyển động, bảng điều khiển trên cùng của bảng điều khiển trung tâm. Chúng được làm bằng đá thiên thạch màu xám lấy từ các mảnh vỡ trên Trái đất. Hệ thống phanh bằng nhôm của mẫu xe M850i Night Sky được chế tạo bởi in 3D. Các bộ phận này nhẹ hơn 30% so với phương thức chế tạo truyền thống. Và được thiết kế tích hợp các mạch dành riêng cho đầu phanh.

Audi cũng trang bị hệ thống máy in 3D trong dây truyền sản xuất

Tương tự BMW, nhà sản xuất ô tô Audi cũng đã trang bị hệ thống máy in 3D trong dây truyền sản xuất. Hệ thống công nghệ mới này cho phép họ đổi mới quy trình thiết kế và chế tạo các đèn hậu của xe với nhiều màu, hoàn toàn trong suốt và được thiết kế nguyên khối.

Audi có kế hoạch giảm thời gian chế tạo mẫu khoảng 50% nhờ in 3D. Các mẫu sẽ được chế tạo ở giai đoạn đầu trong quá trình sản xuất. Điều này cho phép Audi đánh giá kỹ lưỡng các sáng kiến và ý tưởng thiết kế mới. Giai đoạn tạo mẫu này rất cần thiết cho sự phát triển thiết kế các mẫu xe mới. Ngoài ra, in 3D cũng được sử dụng để sản xuất các bộ phận của ô tô. Chẳng hạn như bánh xe, tay nắm cửa… Tại trung tâm in 3D của Audi, in 3D vật liệu nhựa đã thay thế sản xuất truyền thống. Chúng cho phép nhóm nghiên cứu vượt qua giới hạn của quy trình truyền thống và tăng tốc hiệu quả thiết kế lên đáng kể.

Các ứng dụng trong tương lai của in 3D

Nhiều dòng xe hơi ngày nay là biểu tượng cho sự thành công của công nghệ in 3D. Và nó chắc chắn sẽ còn thành công hơn nữa trong tương lai. Nhiều ứng dụng của in 3D đang và sẽ được phát triển trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô. Hình 4 chỉ ra các bộ phận của ô tô ngày nay được chế tạo bởi các công nghệ in 3D khác nhau (màu xanh lá cây), và các bộ phận còn lại (màu xanh da trời) sẽ được nghiên cứu và chế tạo toàn bộ bởi in 3D trong tương lai.

Hình 4. Các ứng dụng của in 3D trong chế tạo ô tô hiện nay và trong tương lai.

Nguồn tin: https://automation.net.vn

Bài viết liên quan