John Deere setzt auf den 3D-Druck effizienterer Motorteile

Der neue Traktor der 6R-Serie von John Deere verfügt über ein 3D-gedrucktes Kraftstoffventil.

Die neuen John Deere-Traktoren, die in Mannheim vom Band laufen, verfügen über eine Premiere für das Unternehmen: ein 3D-gedrucktes Motorteil aus Metall.

Für den weltweit agierenden Hersteller von Land- und Rasengeräten ist der 3D-Druck kein Unbekannter, da er ihn seit mehr als 20 Jahren für die Herstellung tausender Prototypen, Werkzeuge, Vorrichtungen und Vorrichtungen in seinen weltweiten Fabriken einsetzt. Aber das 3D-gedruckte Edelstahlventil im Kraftstoffsystem des Traktors ist eine neue Richtung und Teil dessen, was das Unternehmen seine Smart Industrial Strategy nennt.

John Deere wurde 2020 gegründet und kündigte seine Vision an, neue Technologien schnell in drei Schwerpunktbereiche zu integrieren: Produktionssysteme, deren Technologie-Stack und Lebenszykluslösungen.

Der 3D-Druck ist Teil dieser Vision und dieses Ventil ist eine ihrer ersten Früchte. Es ist effizienter, als wenn es auf herkömmliche Weise hergestellt würde. Es ist etwa 50 % günstiger, deutlich kleiner und verbraucht weniger Material. Aber das ist nur ein Bruchteil der Gründe, warum sich John Deere für den 3D-Druck dieses Teils entschieden hat.

John Deere hat Tausende von thermischen Umschaltventilen für seine neuen Traktoren der Serien 6R und 6M in 3D gedruckt.

Das erste von vielen 3D-gedruckten Teilen

Das neue thermische Umschaltventil der neuesten Versionen der John Deere 6R- und 6M-Traktoren ist nicht nur eine innovative Anwendung der immer zugänglicheren Metall-3D-Drucktechnologie, es ist der Höhepunkt von etwa zwei Jahren Forschung und Entwicklung.

Es begann mit der Herausforderung, sicherzustellen, dass John Deere-Traktoren auch in kalten Umgebungen funktionieren. Die Ingenieure wurden mit der Entwicklung eines Ventils beauftragt, das die Kraftstofftemperaturen aufrechterhalten konnte, ohne die Motorleistung zu beeinträchtigen.

„Zuerst beginnt man damit, was das Teil tun soll“, sagt Udo Scheff, technischer Leiter für die kleinen und mittelgroßen Traktoren von John Deere, „und arbeitet daran, die rechnerische Strömungsdynamik zu optimieren und sie in der virtuellen Welt zu simulieren, dann überträgt man das.“ in digitale Entwürfe für ein Prototypmodell umzuwandeln.“

Das idealisierte Prototypmodell, das den Kraftstoff mit der größten Effizienz fließen ließ, hatte abgerundete, glatte Innenkanäle. Ein Feature, sagt Scheff, sei nur mit 3D-Druck möglich.

„Wenn man in der Fluiddynamik zwei Bohrlöcher hat, die sich schneiden, hat man immer scharfe Ecken, wenn man Bearbeitungswerkzeuge verwendet. Beim 3D-Druck kann man runde Ecken haben, was uns einen weiteren Schritt bei der Optimierung gebracht hat.“ Ventil."

Um zu testen, ob das Teil wie erwartet funktionieren würde, arbeiteten die Ingenieure von John Deere mit Mitarbeitern der additiven Fertigung bei GKN Additive (Forecast 3D), einem digitalen Hersteller von Metallteilen und -materialien, in Deutschland zusammen, um das Design des Kraftstoffventils für den Metall-3D-Druck weiter zu optimieren . GKN druckte Prototypventile aus Stahl auf dem neuen Metall-3D-Drucker von HP HPQ, der Metal Jet S100 Solution. Dieser Drucker verwendet eine der Metall-3D-Drucktechnologien – es gibt mehrere – namens Binder Jetting, bei der ein Metallpulver mit einem Bindemittel Schicht für Schicht zu einem Teil zusammengefügt wird, das dann in einem Industrieofen gesintert wird. Anschließend wird das Teil bearbeitet und montiert.

Konstrukteure im John Deere-Werk in Mannheim.

Das thermische Umlenkventil wurde strengen Tests unterzogen, um die erforderliche Rohrqualität sicherzustellen, die der von bearbeitetem oder feingegossenem Metall entspricht. Auch die Feldtests des Teils waren ein Erfolg.

„Das ist also der Punkt, an dem wir entscheiden mussten, wie wir dieses Teil herstellen wollten, um die Materialeigenschaften und andere Anforderungen zu erfüllen“, sagt Scheff, der auch seine knappe Frist für dieses Teil berücksichtigen musste, wie viel Werkzeug kosten würde, und wie das Teil in den Montage-Workflow passen würde.

„Und dann haben wir entschieden: Okay, wenn dieses 3D-gedruckte Teil in Tests funktioniert und die additive Fertigung kosteneffizient ist, dann wird es auch in der Produktion funktionieren“, sagt Scheff.

Durch die Erstellung von Prototypen aus demselben Material und derselben Methode, die auch für das endgültige Produktionsteil verwendet werden, haben Ingenieure eine größere Leistungssicherheit. „Wir haben uns für das Metallstrahlverfahren von HP entschieden, weil es viel schneller ist als andere Metall-3D-Druckverfahren“, ergänzt Jochen Müller, Global Digital Engineering Manager bei John Deere. „Wir entdecken Möglichkeiten, effizientere, zuverlässigere und nachhaltigere Geräte zu liefern, und HP hat uns dafür die perfekte Lösung bereitgestellt.“

Das neue 3D-gedruckte thermische Umschaltventil für Traktoren von John Deere sorgt für konstante Kraftstofftemperaturen.

Metall-3D-Druck in Produktionsmengen

Derzeit werden mehr als 4.000 Ventile von GKN zur Endmontage an das Traktorenwerk von John Deere geliefert, und zwar zu einem Preis pro Teil, der unter dem des Schmiedens oder Fräsens liegt. Traktoren mit diesem 3D-gedruckten Teil sind buchstäblich bereits im Einsatz.

Müller sagt, ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks dieses speziellen Teils anstelle der Verwendung herkömmlicher Methoden sei die zusätzliche Agilität im Herstellungsprozess. Da für den 3D-Druck keine Formen oder Werkzeuge erforderlich sind, konnten Teileprototypen schneller und kostengünstiger erstellt werden, was den Designprozess beschleunigte. Das Design kann jederzeit angepasst und verbessert werden. Außerdem ist bei Ersatzteilen kein ständiger Lagerbestand erforderlich. Die digitale Datei dieses Wertes kann mit HP Metal Jet-Technologie an jeden Dritthersteller gesendet und relativ lokal und schnell produziert werden.

Obwohl ein vollständiger digitaler Bestand an Reparatur- und Ersatzteilen für aktuelle und ältere John Deere-Geräte noch ein Projekt in ferner Zukunft ist, erkennt das Unternehmen bereits die potenziellen Vorteile.

„Wir haben eine riesige Ersatzteilorganisation, die sich sehr, sehr für den 3D-Druck interessiert“, sagt Müller. Das Unternehmen denkt bereits darüber nach, welche und wie viele Ersatzteile in 3D-druckbare digitale Dateien umgewandelt werden können, wodurch die Lagerhaltung entfallen würde. „Normalerweise haben wir Ersatzteile etwa 20 Jahre lang auf Lager, manchmal sogar länger, und es ist sehr schwer vorherzusagen, was wir mit dem verfügbaren Lagerbestand machen und wie wir den Lagerbestand auffüllen können, wenn er aufgebraucht ist.“

Über den 3D-Druck von Ersatzteilen auf Abruf hinaus stellt sich Müller eine Zukunft vor, in der John Deere abgenutzte oder kaputte Teile analysieren und kundenspezifische Teile in 3D drucken kann, die für einzelne Anwendungsfälle verstärkt werden.

John Deere Traktorenmontagewerk in Mannheim, Deutschland.

3D-Druck bewährt durch Prototyping

John Deere begann, wie viele Fertigungs- und Automobilunternehmen, in seinem technischen Labor mit dem 3D-Druck mit Polymer-Design-Prototypen von Teilen und Fahrzeugkonzepten.

Das Unternehmen erkannte schnell, dass es in der Entwurfsphase von unschätzbarem Wert ist, physische Modelle zur Handhabung, Anpassung und zum Vergleich mit vorhandenen Teilen zu haben. „Menschen am Fließband können prüfen, ob Ihr Konzeptteil fertigungstechnisch umsetzbar ist“, bemerkt Scheff.

Diese Prototypen sind effizienter und deutlich schneller als die Bearbeitung oder das Schnitzen von Holz, eine der Techniken, die verwendet wurden, bevor John Deere im Jahr 2000 mit dem 3D-Druck begann.

„Unsere internen 3D-Druckmöglichkeiten ermöglichen es unseren Designern, ihre Ideen bereits in einem sehr frühen Stadium des Entwicklungsprozesses einfach zu testen und ihre Konzepte zu verifizieren“, fügt Müller hinzu. „Es handelt sich um eine ‚frühzeitig scheitern‘-Denkweise. Wir wollen alle Konzepte als physische Modelle auf die Bühne bringen und verschiedene Gruppen zusammenbringen, um das richtige Konzept zu entwickeln. 3D-Druck und additive Fertigung im Allgemeinen stärken uns also.“ das zu tun."

Das thermische Umlenkventil ist nur das erste von vielen künftigen 3D-gedruckten Traktorteilen.

3D-gedruckte Teile bei John Deere beginnen als digitale Modelle.

Vorrichtungen und Werkzeuge für die 3D-Druckfabrik

3D-Drucker sind in fast jeder John Deere-Fabrik weltweit zu finden und produzieren rund um die Uhr Vorrichtungen und Fabrikwerkzeuge. Laut Scheff findet immer noch die traditionelle Fertigung statt, da der 3D-Druck nicht alles ersetzen kann. Wenn es jedoch um Teile mit einzigartigen Konturen oder Spezialwerkzeugen geht, ist der 3D-Druck die Methode der Wahl.

Fabrikvorrichtungen sind fast immer einzigartig für eine Fabriklinie und ihre Bearbeitung in kleinen Mengen ist teuer. Um den 3D-Druck dieser Teile zu erleichtern, hat John Deere an verschiedenen Standorten ein globales Netzwerk von 3D-Druckern mit unterschiedlichen Drucktechnologien aufgebaut, und größere Fabriken bedienen die Bedürfnisse kleinerer Fabriken.

In jeder John-Deere-Fabrik schlägt die Fertigungstechnikabteilung, deren Aufgabe es ist, die effizientesten Fertigungsprozesse zu finden, neue Werkzeuge vor und bestimmt, ob sie am besten mit additiven oder traditionellen Technologien hergestellt werden. Anschließend entwickelt Müllers Digital-Engineering-Gruppe die digitalen Modelle, die zum 3D-Druck an die Fabrik zurückgesendet oder an einen lokalen 3D-Druckdienst ausgelagert werden.

Von Prototypen bis hin zu endgültigen Komponenten, Werkzeugen und Ersatzteilen ist der 3D-Druck einer der wichtigsten Vorteile von John Deere auf dem Weg zu einem digitaleren und agileren Unternehmen, sagt Müller. Es ermöglicht Ingenieuren, durch Rapid Prototyping-Teile schneller Konzepte von der Idee bis zum physischen Teil zu entwickeln und nun mit dem neuesten Projekt effizientere Motorteile schneller und kostengünstiger auf den Markt zu bringen.