Аддитивные технологии в автомобилестроении
статья

Сариев Рафаель Вагифович, студент

Ивантеевксий филиал Московского политехнического университета

г. Ивантеевка, Россия

Научный руководитель

Ефросинин Александр Евгеньевич, преподаватель

Ивантеевксий филиал Московского политехнического университета

г. Ивантеевка, Россия

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ ОТ ПРОИЗВОДСТВА ДО СЕРВИСНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Аннотация: В статье рассматриваются особенности современного состояния, преимуществ и перспектив внедрения аддитивных технологий (3D-печати) в автомобильную промышленность. Рассмотрены исторические предпосылки развития технологии, ее ключевые этапы и принципы. Детально рассмотрены области применения: от быстрого изготовления сложных конечных изделий до использования в сервисном обслуживании, ремонте и даже в военно-технической сфере. Выявлены основные технологические и экономические факторы, способствующие внедрению 3D-печати, в автомобилестроение.

Ключевые слова: аддитивное производство, 3D-печать, быстрое прототипирование, автомобилестроение, техническое обслуживание и ремонт (ТО и Р), автомобильные компоненты, гибкие технологии.

Автомобильная промышленность является одной из наиболее основных отраслей, которая чаще всего внедряет новые технологии для повышения качества и простоты производства и качества продукции. Среди таких технологий это аддитивные технологии, более известное как 3D-печать, эти технологии занимают одно из ключевых мест, трансформируя подходы к проектированию, производству и послепродажному обслуживанию транспортных средств. Данная технология появилась в 1980-х годах как метод быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), технология эволюционировала до уровня, позволяющего изготавливать готовые к использованию высоконагруженные детали для серийных и эксклюзивных автомобилей. Цель данной статьи – изучить воздействие аддитивных технологий на автомобилестроение, технического обслуживания и ремонта, а также развития технологии.

1. История и базовые принципы аддитивного производства

Процесс послойного создания объектов была впервые предложена Хидео Кодамой в 1980 году, а патент на стереолитографию (SLA) получен Чаком Халлом в 1986 году, что привело к началу коммерческого использованию 3D-печати. Аддитивное производство основано на принципе создания физического объекта из цифровой 3D-модели путем последовательного добавления материала слоями, в отличие от традиционных методов таких как вырезание, фрезерование или формовочных методов. Этот способ снимает многие ограничения, связанные со сложностью геометрии, и работает по принципу «что видишь, то и строишь».

Автомобильная промышленность стала одним из основопологателей внедрения 3D-печати, начав использовать её еще в конце 1980-х годов компанией Ford для ускорения и удешевления процесса разработки.

2. Применение в проектировании и производстве

Сначала основной сферой применения 3D-печати в автопроме было быстрое создание физических макетов деталей, узлов и даже полномасштабных моделей кузовов позволило в разы сократить время и стоимость этапа опытно-конструкторских работ. Это дало возможность оперативно проверять конструктивную реализуемость, собираемость, эргономику и проводить аэродинамические испытания включая тесты в аэродинамических трубах.

На сегодняшний день применение аддитивных технологий значительно расширились:

• производство оснастки и инструмента,  3D-печать позволяет быстро и дешево изготавливать специализированную оснастку, кондукторы, шаблоны и формующую оснастку для литья. Например, компания Pankl Racing Systems сократила время и затраты на создание вспомогательного оборудования на 80-90%;
• топологическая оптимизация и изготовление конечных изделий, аддитивные технологии позволяет переосмыслить конструкцию деталей, создавая облегченные, но прочные структуры с помощью топологической оптимизации. Яркий пример, передняя крышка дизельного двигателя, в которой прямые каналы для жидкостей, выполненные сверлением, были заменены на сложные оптимизированные каналы, что снизило массу и улучшило рабочие характеристики.
• создание высоконагруженных компонентов, основным автопроизводителем здесь является компания Bugatti, которая с помощью селективного лазерного плавления (SLM) из титанового сплава производит моноблочные тормозные суппорты для гиперкара Chiron. Такой суппорт на 40% легче алюминиевого аналога при значительно большей прочности, что было недостижимо при традиционных методах обработки титана.
• мелкосерийное и эксклюзивное производство, аддитивные технологии нашли большое применение для автомобилей класса люкс таких как Bentley, или редких коллекционных моделей Porsche Classic. Данные технологии является экономически целесообразным для производства индивидуальных элементов интерьера или запчастей, снятых с производства.

3. Применение 3D печати в  сфере технического обслуживания и ремонта.

Одним из наиболее перспективных направлений является применение 3D-печати в сервисной сети и при ремонте. Основные моменты способствующие этому, включают в себя:

• снижение стоимости и сроков, исключение затрат на доставку, складское хранение и промежуточных поставщиков. Деталь может быть напечатана на месте по требованию за несколько часов, а не ждать доставки неделями.
• восстановление парка ретро-автомобилей, аддитивные технологии решают проблему отсутствия оригинальных запчастей для старых моделей, позволяя воссоздавать детали по наглядному примеру и чертежам.
• модернизация и тюнинг автомобилей, владельцы могут заказывать уникальные элементы экстерьера и интерьера  что повышает спрос на данную технологию.
• повышение точности и снижение брака, использование 3D-сканирования и печати обеспечивает точность воспроизведения до 99%, минимизируя влияние человеческого фактора.
• экологичность аддитивные технологии характеризуется низким уровнем отходов, возможностью использования перерабатываемых материалов и снижением углеродного следа за счет локализации производства.
• применение в военной сфере, представленная на форуме «Армия-2022» мобильная мастерская МРТО-АТ1, оснащенная 3D-принтером «Муромец Р200», демонстрирует возможность оперативного изготовления широкой номенклатуры запчастей для ремонта техники в полевых условиях, что критически важно для обеспечения автономности и боеготовности.

• Рисунок 1 - 3D печать запасных и комплектующих частей.

Одним из наиболее популярных применений 3D печати в автомобилестроении является производство запасных частей и деталей для автомобилей. Технология позволяет изготавливать как стандартные, так и уникальные компоненты, включая элементы системы выхлопа, воздухозаборников, деталей двигателя, системы охлаждения и других узлов автомобиля. При этом производство этих деталей занимает гораздо меньше времени, чем традиционные методы литья или штамповки.

3D печать также используется для создания более легких и прочных компонентов. Современные автомобили требуют использования таких материалов, которые могут выдерживать высокие температуры и механические нагрузки. 3D печать позволяет создавать детали из металлов, таких как алюминий и титаны, а также композитных материалов, которые обеспечивают оптимальные характеристики для каждой конкретной детали автомобиля.

• запасные части, с помощью 3D печати можно быстро и эффективно производить запасные части, что особенно полезно для старых моделей автомобилей или ограниченных серий.
• облегченные компоненты, технология позволяет создавать облегченные детали, что снижает общий вес автомобиля и повышает его топливную эффективность.
• прочность и долговечность, 3D печать позволяет создавать детали с оптимальными характеристиками прочности и долговечности, что повышает надежность автомобилей.
• кастомизация, возможность создания индивидуальных и уникальных деталей, которые отвечают требованиям заказчиков и обеспечивают уникальность автомобилей.

Аддитивное производство в автомобилестроении оценивается по комплексу параметров: стоимость оборудования и материалов, скорость построения, точность и толщина слоя, диапазон совместимых материалов таких как полимеры, фотополимеры, металлические порошки и сплавы, композиты, универсальность и требования к обслуживанию.

Основные моменты развития аддитивных технологий:

• переход от прототипов к серийным деталям, производители оборудования, создают машины с увеличенной камерой построения и высокой скоростью, ориентированные именно на производственные задачи, а не только на мелкосерийные и индивидуальные.
• увеличение применяемых материалов, постоянно ведутся разработки новых материалов с улучшенными механическими, термическими и эксплуатационными свойствами, адаптированных под нужды автопрома.
• увеличение производительности и снижение затрат, увеличение скорости печати и размеры рабочих камер, снижается стоимость оборудования и материалов, что делает аддитивные технологии рентабельным для все более широкого круга задач, включая среднесерийное производство.
• применение совместно с цифровой системой, аддитивные технологии становится неотъемлемой частью цифровых цепочек создания стоимости, от CAD-модели до дистрибуции цифровых копий деталей.

Рисунок 2 аддитивные технологии при изготовлении кузовов автомобилей

Заключение

По результатам исследований при рассмотрении темы данной статьи было  установлено что аддитивные технологии совершили революционный переход в автомобильной промышленности – от вспомогательного инструмента для создания макетов до полноценной производственной методологии, способной изготавливать конечные, высокотехнологичные изделия. Их интеграция затрагивает весь жизненный цикл автомобиля: ускоряет и удешевляет проектирование, позволяет создавать облегченные и оптимизированные детали со сложной геометрией, кардинально меняет подход к организации сервисного обслуживания и ремонта, обеспечивая беспрецедентную гибкость, скорость и клиенто-ориентированность.

Несмотря на сохраняющиеся вызовы, связанные с рентабельностью при крупносерийном производстве и необходимостью дальнейшего повышения скорости, перспективы АП в автопроме очевидны. Стимулируемое запросами на инновации, индивидуализацию и устойчивое развитие, аддитивное производство будет и далее расширять свое присутствие, способствуя созданию более эффективных, уникальных и технологически совершенных транспортных средств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кирасиров, О. М. Гибкие технологии в сфере технического обслуживания и ремонта автомобилей / О. М. Кирасиров, Денис Тендетник. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 8 (455). — С. 45-48.
2. Стрельцов Р.В., Дюнов В.А. Перспективы применения аддитивных технологий в автомобилестроении // Научный журнал. – 2023.
3. Позняк Д. В., Лагун Е. А. Использование аддитивных технологий в автомобильной промышленности // Сборник научных статей. – 2023.