จอห์น เดียร์หันไปใช้การพิมพ์ 3 มิติชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

รถแทรกเตอร์จอห์น เดียร์ รุ่นใหม่ที่ออกจากสายการผลิตในเมืองมันไฮม์ ประเทศเยอรมนี มีสิ่งแรกสำหรับบริษัท นั่นคือ ชิ้นส่วนเครื่องยนต์โลหะที่พิมพ์ 3 มิติ

ผู้ผลิตอุปกรณ์การเกษตรและสนามหญ้าระดับโลกไม่ใช่คนแปลกหน้าสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้งานมานานกว่า 20 ปีเพื่อสร้างต้นแบบ เครื่องมือ อุปกรณ์จับยึด และอุปกรณ์จับยึดหลายพันรายการในโรงงานทั่วโลก แต่วาล์วเหล็กกล้าไร้สนิมที่พิมพ์ 3 มิติในระบบเชื้อเพลิงของรถแทรกเตอร์เป็นทิศทางใหม่และเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่บริษัทเรียกว่ากลยุทธ์อุตสาหกรรมอัจฉริยะ

จอห์น เดียร์ เปิดตัวในปี 2020 ได้ประกาศวิสัยทัศน์ที่จะผสานรวมเทคโนโลยีใหม่อย่างรวดเร็วในสามประเด็นหลัก ได้แก่ ระบบการผลิต กลุ่มเทคโนโลยี และโซลูชันวงจรชีวิต

การพิมพ์ 3 มิติเป็นส่วนหนึ่งของวิสัยทัศน์นี้ และวาล์วนี้เป็นหนึ่งในผลไม้ชนิดแรกๆ มีประสิทธิภาพมากกว่าการผลิตแบบดั้งเดิม ถูกกว่าประมาณ 50% และเล็กกว่าอย่างเห็นได้ชัด โดยใช้วัสดุน้อยกว่า แต่นี่เป็นเพียงการเกาผิวว่าทำไมจอห์น เดียร์ถึงเลือกพิมพ์ 3 มิติในส่วนนี้

ชิ้นส่วนพิมพ์ 3 มิติชิ้นแรกในจำนวนมากมาย

วาล์วเปลี่ยนทิศทางความร้อนใหม่ในรถแทรกเตอร์ John Deere 6R และ 6M รุ่นล่าสุดไม่ได้เป็นเพียงการประยุกต์ใช้นวัตกรรมของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะที่เข้าถึงได้มากขึ้นเท่านั้น แต่ยังเป็นสุดยอดของการวิจัยและพัฒนาประมาณสองปี

เริ่มต้นจากความท้าทายเพื่อให้แน่ใจว่ารถแทรกเตอร์ของจอห์น เดียร์จะทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่หนาวเย็น วิศวกรได้รับมอบหมายให้พัฒนาวาล์วที่สามารถรักษาอุณหภูมิเชื้อเพลิงได้โดยไม่กระทบต่อสมรรถนะของเครื่องยนต์

“ขั้นแรก คุณเริ่มต้นด้วยสิ่งที่คุณต้องการให้ชิ้นส่วนทำ” Udo Scheff ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมของรถแทรกเตอร์ขนาดเล็กและขนาดกลางของ John Deere กล่าว “และทำงานผ่านการปรับพลศาสตร์ของไหลในการคำนวณให้เหมาะสมที่สุดและจำลองมันในโลกเสมือนจริง จากนั้นคุณถ่ายโอนสิ่งนั้น สู่การออกแบบดิจิทัลสำหรับโมเดลต้นแบบ”

รุ่นต้นแบบในอุดมคติซึ่งเป็นรุ่นที่ช่วยให้เชื้อเพลิงไหลได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด มีช่องภายในที่โค้งมนและเรียบ Scheff กล่าวว่าคุณลักษณะนี้สามารถสร้างได้ด้วยการพิมพ์ 3 มิติเท่านั้น

“ในไดนามิกของไหล เมื่อคุณมีรูเจาะสองรูที่ตัดกัน คุณจะมีมุมที่แหลมเสมอหากคุณใช้เครื่องมือตัดเฉือน ด้วยการพิมพ์แบบ 3 มิติ คุณสามารถมีมุมโค้งมนได้ ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่นำเราไปอีกขั้นในการเพิ่มประสิทธิภาพของวาล์ว”

เพื่อทดสอบว่าชิ้นส่วนจะทำงานตามที่คาดไว้หรือไม่ วิศวกรของ John Deere ได้ทำงานร่วมกับเจ้าหน้าที่ฝ่ายผลิตสารเติมแต่งที่เยอรมนี สารเติมแต่ง GKN (พยากรณ์ 3 มิติ)ผู้ผลิตชิ้นส่วนและวัสดุโลหะแบบดิจิทัล เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวาล์วเชื้อเพลิงสำหรับการพิมพ์ 3 มิติโลหะ วาล์วต้นแบบพิมพ์ GKN ทำด้วยเหล็กบนเครื่องพิมพ์โลหะ 3D รุ่นใหม่จาก HPHPQ
ที่ โซลูชัน Metal Jet S100. เครื่องพิมพ์นี้ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์โลหะ 3 มิติแบบใดแบบหนึ่ง ซึ่งมีหลายชื่อเรียกว่า การพ่นสารยึดเกาะโดยที่ผงโลหะถูกเชื่อมเข้าด้วยกันด้วยสารยึดเกาะเป็นชั้นๆ เพื่อสร้างชิ้นส่วนที่เผาแล้วในเตาอบระดับอุตสาหกรรม หลังจากนั้น ชิ้นส่วนจะถูกกลึงและประกอบ

วาล์วเปลี่ยนทิศทางความร้อนผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพท่อที่ต้องการ ซึ่งเทียบเท่ากับโลหะหล่อขึ้นรูปหรือโลหะหล่อ การทดสอบภาคสนามของชิ้นส่วนก็ประสบความสำเร็จเช่นกัน

“นี่คือจุดที่เราต้องตัดสินใจว่าเราจะผลิตชิ้นส่วนนี้อย่างไรเพื่อให้ตรงตามคุณสมบัติของวัสดุและข้อกำหนดอื่นๆ” Scheff กล่าว ผู้ซึ่งต้องพิจารณากำหนดเส้นตายที่รัดกุมสำหรับชิ้นส่วนนี้ด้วยว่าเครื่องมือจะมีราคาเท่าใด และชิ้นส่วนจะพอดีกับเวิร์กโฟลว์การประกอบอย่างไร

“และนั่นคือตอนที่เราตัดสินใจว่า เอาล่ะ หากชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิตินี้ใช้งานได้ในการทดสอบและการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุนั้นประหยัดต้นทุน มันก็จะใช้งานได้ในการผลิตเช่นกัน” Scheff กล่าว

การสร้างต้นแบบด้วยวัสดุและวิธีการเดียวกันกับที่จะใช้สำหรับชิ้นส่วนการผลิตขั้นสุดท้ายทำให้วิศวกรมีความมั่นใจในประสิทธิภาพมากขึ้น “เราเลือกกระบวนการเมทัลเจ็ตจาก HP เพราะมันเร็วกว่ากระบวนการพิมพ์ 3 มิติโลหะอื่นๆ มาก” Jochen Müller ผู้จัดการฝ่ายวิศวกรรมดิจิทัลระดับโลกของ John Deere กล่าวเสริม “เรากำลังค้นพบโอกาสในการส่งมอบอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และยั่งยืนมากขึ้น และ HP ก็ได้จัดหาโซลูชั่นที่สมบูรณ์แบบให้กับเรา”

การพิมพ์โลหะ 3D ที่ปริมาณการผลิต

ปัจจุบัน วาล์วมากกว่า 4,000 ตัวถูกจัดส่งจาก GKN ไปยังโรงงานรถแทรกเตอร์ของจอห์น เดียร์ เพื่อการประกอบขั้นสุดท้ายในราคาต่อชิ้นส่วนที่ถูกกว่าการตีขึ้นรูปหรือการกัด รถแทรกเตอร์ที่มีชิ้นส่วนพิมพ์ 3 มิตินี้พร้อมลงสนามจริงแล้ว

Müller กล่าวว่าข้อดีอีกประการของการพิมพ์ 3 มิติสำหรับชิ้นส่วนนี้โดยเฉพาะแทนที่จะใช้วิธีการแบบเดิมคือเพิ่มความคล่องตัวในกระบวนการผลิต เนื่องจากการพิมพ์ 3 มิติไม่จำเป็นต้องใช้แม่พิมพ์หรือเครื่องมือ ต้นแบบชิ้นส่วนจึงเร็วกว่าและถูกกว่าในการสร้าง ซึ่งช่วยเร่งกระบวนการออกแบบ การออกแบบสามารถปรับแต่งและปรับปรุงได้ตลอดเวลา นอกจากนี้ เมื่อพูดถึงเรื่องอะไหล่ ไม่จำเป็นต้องมีสินค้าคงคลัง ไฟล์ดิจิทัลของค่านี้สามารถส่งไปยังผู้ผลิตรายอื่นด้วยเทคโนโลยี HP Metal Jet และผลิตได้ค่อนข้างเร็วและรวดเร็ว

แม้ว่ารายการซ่อมและชิ้นส่วนอะไหล่แบบดิจิทัลสำหรับอุปกรณ์ของจอห์น เดียร์ในปัจจุบันและรุ่นเก่าจะยังคงเป็นโครงการในอนาคตอันไกล แต่บริษัทก็มองเห็นประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้นแล้ว

“เรามีองค์กรอะไหล่ขนาดใหญ่ที่สนใจการพิมพ์ 3 มิติเป็นอย่างมาก” มุลเลอร์กล่าว บริษัทกำลังคิดอยู่แล้วว่าชิ้นส่วนใดและจำนวนเท่าใดที่สามารถแปลงเป็นไฟล์ดิจิทัลที่พิมพ์ได้ 3 มิติ ซึ่งจะช่วยลดคลังสินค้า “โดยปกติแล้ว เรามีอะไหล่อยู่ในสต็อกประมาณ 20 ปี บางครั้งอาจนานกว่านั้น และเป็นการยากที่จะคาดการณ์ว่าจะทำอย่างไรกับสต็อกที่มีอยู่และวิธีเติมสต็อกหากสินค้าหมด”

นอกเหนือจากชิ้นส่วนอะไหล่จากการพิมพ์ 3 มิติตามต้องการแล้ว มุลเลอร์ยังมองเห็นอนาคตที่จอห์น เดียร์สามารถวิเคราะห์ชิ้นส่วนที่ชำรุดหรือแตกหัก และชิ้นส่วนสั่งทำพิเศษจากการพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับการเสริมประสิทธิภาพสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะบุคคล

การพิมพ์ 3 มิติได้รับการพิสูจน์ผ่านการสร้างต้นแบบ

จอห์น เดียร์ เช่นเดียวกับบริษัทการผลิตและยานยนต์หลายแห่ง เริ่มการพิมพ์ 3 มิติในห้องปฏิบัติการวิศวกรรมของตนด้วยต้นแบบการออกแบบโพลิเมอร์ของชิ้นส่วนและแนวคิดยานยนต์

บริษัทเรียนรู้อย่างรวดเร็วว่าการมีแบบจำลองทางกายภาพเพื่อจัดการ ประกอบ และเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนที่มีอยู่นั้นมีค่ามากในขั้นตอนการออกแบบ “บุคลากรจากสายการผลิตสามารถตรวจสอบได้ว่าชิ้นส่วนแนวคิดของคุณเป็นไปได้หรือไม่จากมุมมองด้านการผลิต” Scheff กล่าว

ต้นแบบเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากกว่าและเร็วกว่าการตัดเฉือนหรือการแกะสลักไม้อย่างมาก ซึ่งเป็นหนึ่งในเทคนิคที่ใช้ก่อนที่จอห์น เดียร์จะเริ่มการพิมพ์ 3 มิติในปี 2000

“ความสามารถในการพิมพ์ 3 มิติภายในของเราช่วยให้นักออกแบบของเราสามารถทดสอบแนวคิดของพวกเขาได้อย่างง่ายดายและตรวจสอบแนวคิดของพวกเขาในระยะเริ่มต้นของกระบวนการพัฒนา” Müller กล่าวเสริม “มันเป็นความคิดแบบ 'ล้มเหลวแต่เนิ่นๆ' เราต้องการนำแนวคิดทั้งหมดมารวมกันเป็นแบบจำลองทางกายภาพและมีกลุ่มที่หลากหลายร่วมกันเพื่อให้ได้แนวคิดที่ถูกต้อง โดยทั่วไปแล้ว การพิมพ์ 3 มิติและการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุช่วยให้เราสามารถทำเช่นนั้นได้”

วาล์วระบายความร้อนเป็นเพียงชิ้นส่วนแรกของชิ้นส่วนรถแทรกเตอร์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติจำนวนมากที่จะเกิดขึ้น

จิ๊กและเครื่องมือสำหรับโรงงานการพิมพ์ 3 มิติ

เครื่องพิมพ์ 3 มิติพบได้ในโรงงานเกือบทุกแห่งของจอห์น เดียร์ทั่วโลก เลิกใช้อุปกรณ์ติดตั้งและเครื่องมือในโรงงานทุกวันตลอด 24 ชั่วโมง Scheff กล่าวว่ายังคงมีการผลิตแบบดั้งเดิมเกิดขึ้นเนื่องจากการพิมพ์ 7 มิติไม่สามารถแทนที่ทุกอย่างได้ แต่เมื่อพูดถึงชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเฉพาะตัวหรือการใช้เครื่องมือพิเศษ การพิมพ์ 3 มิติคือวิธีการเลือก

อุปกรณ์ติดตั้งจากโรงงานมักจะมีลักษณะเฉพาะสำหรับสายงานโรงงานและมีราคาแพงสำหรับการตัดเฉือนในปริมาณน้อย เพื่ออำนวยความสะดวกในการพิมพ์ 3 มิติชิ้นส่วนเหล่านี้ จอห์น เดียร์ได้สร้างเครือข่ายเครื่องพิมพ์ 3 มิติทั่วโลกพร้อมเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ที่แตกต่างกันในสถานที่ต่างๆ และโรงงานขนาดใหญ่ก็ตอบสนองความต้องการของโรงงานขนาดเล็ก

ในโรงงานของจอห์น เดียร์ทุกแห่ง แผนกวิศวกรรมการผลิตซึ่งมีหน้าที่ค้นหากระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงสุด เสนอเครื่องมือใหม่ๆ และพิจารณาว่าเครื่องมือเหล่านี้ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีแบบเติมแต่งหรือแบบดั้งเดิมได้ดีที่สุด จากนั้น กลุ่มวิศวกรรมดิจิทัลของ Müller พัฒนาโมเดลดิจิทัลที่ส่งกลับไปที่โรงงานเพื่อพิมพ์ 3 มิติ หรือว่าจ้างจากภายนอกไปยังบริการพิมพ์ 3 มิติในพื้นที่

จากต้นแบบไปจนถึงส่วนประกอบ เครื่องมือ และชิ้นส่วนอะไหล่ขั้นสุดท้าย การพิมพ์ 3 มิติเป็นหนึ่งในสินทรัพย์หลักของ John Deere ในการแสวงหาสู่การเป็นองค์กรดิจิทัลที่คล่องตัวมากขึ้น Müller กล่าว ช่วยให้วิศวกรสามารถพัฒนาแนวคิดจากแนวคิดไปสู่ชิ้นส่วนทางกายภาพได้เร็วขึ้นผ่านการสร้างชิ้นส่วนต้นแบบอย่างรวดเร็ว และตอนนี้ด้วยโครงการล่าสุด เพื่อนำชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นออกสู่ตลาดได้รวดเร็วและราคาถูกลง