John Deere vänder sig till 3D-utskrift mer effektiva motordelar

De nya John Deere-traktorerna som rullar av tillverkningslinjen i Mannheim, Tyskland, har en första för företaget: en 3D-printad metallmotordel.

Den globala tillverkaren av jordbruks- och gräsutrustning är inte främmande för 3D-utskrift, efter att ha använt den i mer än 20 år för att tillverka tusentals prototyper, verktyg, jiggar och fixturer över sina globala fabriker. Men den 3D-printade rostfria ventilen i traktorns bränslesystem är en ny riktning och en del av vad företaget kallar sin Smart Industrial Strategy.

John Deere lanserades 2020 och tillkännagav sin vision att snabbt integrera ny teknik inom tre fokusområden: produktionssystem, deras teknologistack och livscykellösningar.

3D-utskrift är en del av denna vision, och denna ventil är en av dess första frukter. Det är mer effektivt än om det skulle tillverkas traditionellt. Det är cirka 50 % billigare och betydligt mindre, med mindre material. Men detta är bara att skrapa på ytan av varför John Deere valde att 3D-printa den här delen.

Den första av många 3D-utskrivna delar

Den nya termiska avledningsventilen på de senaste versionerna av John Deere 6R och 6M traktorer är inte bara en innovativ tillämpning av allt mer tillgänglig 3D-utskriftsteknik av metall, det är kulmen på ungefär två års forskning och utveckling.

Det började med en utmaning att säkerställa att John Deere-traktorer skulle prestera i kalla miljöer. Ingenjörer fick i uppdrag att utveckla en ventil som kunde bibehålla bränsletemperaturen utan att påverka motorns prestanda.

"Först börjar du med vad du vill att delen ska göra", säger Udo Scheff, ingenjörschef för John Deeres små och medelstora traktorer, "och arbetar genom att optimera beräkningsvätskedynamiken och simulera den i den virtuella världen, sedan överför du det till digital design för en prototypmodell."

Den idealiserade prototypmodellen, den som lät bränslet flöda med störst effektivitet, hade rundade, släta inre kanaler. En funktion, säger Scheff, är endast möjlig att skapa med 3D-utskrift.

”Inom vätskedynamik, när du har två borrhål som skär varandra, har du alltid skarpa hörn om du använder bearbetningsverktyg. Med 3D-utskrift kan du ha runda hörn, vilket är det element som tog oss ytterligare ett steg upp i optimeringen av ventilen."

För att testa om delen skulle fungera som förväntat arbetade ingenjörer på John Deere med personal för additiv tillverkning på Tysklands GKN-tillsats (prognos 3D), en digital tillverkare av metalldelar och material, för att ytterligare optimera designen av bränsleventilen för 3D-utskrift av metall. GKN tryckte prototypventiler i stål på den nya 3D-skrivaren i metall från HPHPQ
, den Metal Jet S100 lösning. Den här skrivaren använder en av metall 3D-utskriftsteknikerna – det finns flera – som kallas bindemedelssprutning, där ett metallpulver sammanfogas med ett bindemedel lager på lager för att bilda en del som sedan sintras i en industriell ugn. Därefter bearbetas och monteras delen.

Den termiska avledningsventilen genomgick rigorösa tester för att säkerställa den erforderliga rörkvaliteten, som är lika med maskinbearbetad eller gjuten metall. Fälttestning av delen var också en framgång.

"Så det här är punkten där vi var tvungna att bestämma hur vi skulle tillverka den här delen för att uppfylla materialegenskaperna och andra krav", säger Scheff, som också var tvungen att överväga sin snäva deadline för denna del, hur mycket verktyg skulle kosta, och hur delen skulle passa i monteringsarbetsflödet.

"Och det var då vi bestämde oss, okej, om den här 3D-printade delen fungerar i tester och den additiva tillverkningen är kostnadseffektiv, så kommer den att fungera i produktionen också", säger Scheff.

Att skapa prototyper i samma material och metod som kommer att användas för den slutliga produktionsdelen ger ingenjörer större garantier för prestanda. "Vi valde metalljetprocessen från HP eftersom den är mycket snabbare än andra metall-3D-utskriftsprocesser", tillägger Jochen Müller, John Deeres globala digitala ingenjörschef. "Vi upptäcker möjligheter att leverera mer effektiv, pålitlig och hållbar utrustning, och HP gav oss den perfekta lösningen för det."

Metall 3D-utskrift vid produktionsvolymer

För närvarande skickas mer än 4,000 3 ventiler från GKN till John Deere traktorfabriken för slutmontering till ett pris per del som är mindre än smide eller fräsning. Traktorer med denna XNUMXD-printade del finns redan på fältet, bokstavligen.

Müller säger att en annan fördel med att 3D-printa just den här delen istället för att använda traditionella metoder, är ökad smidighet i tillverkningsprocessen. Eftersom 3D-utskrift inte kräver formar eller verktyg, var delprototyper snabbare och billigare att skapa, vilket påskyndade designprocessen. Designen kan finjusteras och förbättras när som helst. Dessutom, när det kommer till reservdelar, behövs ingen stående inventering. Den digitala filen med detta värde kan skickas till alla tredjepartstillverkare med HP Metal Jet-teknik och produceras relativt lokalt och snabbt.

Även om en komplett digital inventering av reparationer och reservdelar för nuvarande och äldre John Deer-utrustning fortfarande är ett avlägset framtidsprojekt, ser företaget redan de potentiella fördelarna.

"Vi har en enorm reservdelsorganisation som är väldigt, väldigt intresserad av 3D-utskrift", säger Müller. Redan nu funderar företaget på vilka och hur många reservdelar som kan konverteras till 3D-utskrivbara digitala filer, vilket skulle eliminera lagerhållning. "Vanligtvis har vi reservdelar i lager i ungefär 20 år, ibland till och med längre, och det är väldigt svårt att förutse vad man ska göra med det tillgängliga lagret och hur man fyller på lagret om det tar slut."

Utöver 3D-utskrift av reservdelar på begäran, föreställer Müller sig en framtid där John Deere kan analysera utslitna eller trasiga delar och 3D-skriva ut anpassade delar som är förstärkta för individuella användningsfall.

3D-utskrift bevisad genom prototyper

John Deere, liksom många tillverknings- och bilföretag, började 3D-utskrift i sitt ingenjörslabb med polymerdesignprototyper av delar och fordonskoncept.

Företaget lärde sig snabbt att det är ovärderligt att ha fysiska modeller att hantera, passa och jämföra med befintliga delar i designfasen. "Folk från löpande band kan kontrollera om din konceptdel är genomförbar ur ett tillverkningsperspektiv", konstaterar Scheff.

Dessa prototyper är mer effektiva och och betydligt snabbare än att bearbeta eller hugga ur trä, vilket var en av teknikerna som användes innan John Deere började 3D-utskrift år 2000.

"Våra interna 3D-utskriftsmöjligheter gör att våra designers enkelt kan testa sina idéer och verifiera sina koncept i ett mycket tidigt skede av utvecklingsprocessen", tillägger Müller. "Det är en "fail early" typ av tankesätt. Vi vill föra alla koncept till golvet som fysiska modeller och ha olika grupper tillsammans för att komma ut med rätt koncept. Så 3D-utskrift och additiv tillverkning i allmänhet ger oss möjlighet att göra det."

Den termiska avledningsventilen är bara den första av många 3D-printade traktordelar som kommer.

3D Printing Factory Jigs & Tools

3D-skrivare finns i nästan alla John Deere-fabriker över hela världen som urverkar fixturer och fabriksverktyg 24/7. Scheff säger att det fortfarande pågår traditionell tillverkning eftersom 3D-utskrift inte kan ersätta allt, men när det kommer till delar med unika konturer eller specialverktyg är 3D-utskrift den bästa metoden.

Fabriksinredningar är nästan alltid unika för en fabrikslinje och dyra att bearbeta i små kvantiteter. För att underlätta 3D-utskrift av dessa delar etablerade John Deere ett globalt nätverk av 3D-skrivare med olika skrivarteknologier på olika platser och större fabriker tillgodoser de mindre fabrikernas behov.

I varje John Deere-fabrik föreslår den tillverkningstekniska avdelningen, som har till uppgift att hitta de mest effektiva tillverkningsprocesserna, nya verktyg och avgör om de är bäst gjorda med additiv eller traditionell teknik. Därefter utvecklar Müllers digitala ingenjörsgrupp de digitala modellerna som skickas tillbaka till fabriken för att 3D-utskriva eller lägga ut på en lokal 3D-utskriftstjänst.

Från prototyper till slutkomponenter, verktyg och reservdelar är 3D-utskrift en av John Deeres stora tillgångar i sin strävan att bli en mer digital och smidig organisation, säger Müller. Det gör det möjligt för ingenjörer att utveckla koncept från idé till fysisk del snabbare genom snabb prototyping av delar, och nu, med sitt senaste projekt, att få ut effektivare motordelar till marknaden snabbare och billigare.