约翰迪尔转向 3D 打印更高效的发动机零件

新的约翰迪尔拖拉机从德国曼海姆的生产线下线，这是该公司的首创：金属 3D 打印发动机部件。

这家全球农业和草坪设备制造商对 3D 打印并不陌生，20 多年来在其全球工厂中使用它制造了数以千计的原型、工具、夹具和固定装置。 但拖拉机燃油系统中的 3D 打印不锈钢阀门是一个新方向，也是该公司所谓的智能工业战略的一部分。

约翰迪尔于 2020 年推出，宣布了其在三个重点领域快速集成新技术的愿景：生产系统、技术堆栈和生命周期解决方案。

3D 打印是这一愿景的一部分，而这个阀门是其首批成果之一。 它比传统制造的效率更高。 它便宜了大约 50%，而且体积明显更小，使用的材料也更少。 但这只是 John Deere 选择 3D 打印该部件的原因的冰山一角。

许多 3D 打印零件中的第一个

最新版本的约翰迪尔 6R 和 6M 拖拉机上的新型热分流阀不仅是日益普及的金属 3D 打印技术的创新应用，还是大约两年研发的结晶。

它始于一项挑战，即确保约翰迪尔拖拉机能够在寒冷的环境中正常工作。 工程师们的任务是开发一种能够在不影响发动机性能的情况下保持燃油温度的阀门。

John Deere 中小型拖拉机工程总监 Udo Scheff 说：“首先，你从你想要零件做的事情开始，通过优化计算流体动力学并在虚拟世界中对其进行模拟，然后将其转移进入原型模型的数字设计。”

理想化的原型模型，即让燃料以最高效率流动的模型，具有圆形、光滑的内部通道。 Scheff 说，只有通过 3D 打印才能创建功能。

“在流体动力学中，当你有两个相交的钻孔时，如果你使用机加工工具，你总会有尖角。 通过 3D 打印，您可以制作圆角，这是让我们在阀门优化方面又迈进了一步的元素。”

为了测试零件是否能按预期工作，约翰迪尔的工程师与德国增材制造公司的员工合作 GKN 添加剂（预测 3D），金属零件和材料的数字制造商，进一步优化金属3D打印燃料阀的设计。 GKN 在惠普的新型金属 3D 打印机上打印钢制阀门原型HPQ
是， Metal Jet S100 解决方案. 这台打印机使用一种金属 3D 打印技术——有几种——称为 粘合剂喷射，其中金属粉末与粘合剂层层结合在一起，形成一个部件，然后在工业级烤箱中烧结。 之后，对零件进行机加工和组装。

热力分流阀经过严格的测试，以确保所需的管道质量，与机加工或熔模铸造金属相当。 该部件的现场测试也取得了成功。

“所以这就是我们必须决定如何制造这个零件以满足材料特性和其他要求的关键，”Scheff 说，他还必须考虑他对这个零件的紧迫期限，模具的成本，以及零件如何适合装配工作流程。

“就在那时我们决定，好吧，如果这个 3D 打印部件在测试中有效并且增材制造具有成本效益，那么它也可以在生产中使用，”Scheff 说。

使用与最终生产部件相同的材料和方法创建原型，可为工程师提供更好的性能保证。 “我们选择了惠普的金属喷射工艺，因为它比其他金属 3D 打印工艺快得多，”约翰迪尔全球数字工程经理 Jochen Müller 补充道。 “我们正在寻找提供更高效、可靠和可持续设备的机会，惠普为此提供了完美的解决方案。”

量产金属 3D 打印

目前，有 4,000 多个阀门从 GKN 运往约翰迪尔拖拉机工厂进行最终组装，每个零件的价格低于锻造或铣削。 带有这种 3D 打印部件的拖拉机已经在现场使用了。

Müller 说 3D 打印这个特定部件而不是使用传统方法的另一个好处是在制造过程中增加了灵活性。 由于 3D 打印不需要模具或工具，零件原型的创建速度更快、成本更低，从而加快了设计过程。 可以随时调整和改进设计。 此外，更换零件时，无需常备库存。 该价值的数字文件可以发送给任何采用 HP Metal Jet 技术的第三方制造商，并相对快速地在本地生成。

尽管约翰迪尔当前和遗留设备的维修和备件的完整数字库存仍然是一个遥远的未来项目，但该公司已经看到了潜在的好处。

“我们有一个庞大的备件组织，对 3D 打印非常非常感兴趣，”Müller 说。 该公司已经在考虑可以将哪些备件和多少备件转换为可 3D 打印的数字文件，这将消除仓储。 “通常，我们的备件库存大约 20 年，有时甚至更长，而且很难预测如何处理可用库存以及如果库存用完了如何补充库存。”

除了按需 3D 打印备件之外，Müller 还设想了一个未来，约翰迪尔可以分析磨损或损坏的零件，并 3D 打印定制零件，这些零件针对个别用例进行了加固。

3D 打印通过原型验证

与许多制造和汽车公司一样，John Deere 开始在其工程实验室中使用零件和车辆概念的聚合物设计原型进行 3D 打印。

该公司很快了解到，在设计阶段拥有可处理、装配和与现有零件进行比较的物理模型是非常宝贵的。 “来自装配线的人员可以从制造的角度检查您的概念零件是否可行，”Scheff 指出。

这些原型比用木材加工或雕刻更高效，速度也更快，后者是 John Deere 于 3 年开始 2000D 打印之前使用的技术之一。

“我们的内部 3D 打印功能使我们的设计师能够在开发过程的早期阶段轻松测试他们的想法并验证他们的概念，”Müller 补充道。 “这是一种‘早早失败’的心态。 我们希望将所有概念作为物理模型带到地板上，并将不同的小组聚集在一起，以便提出正确的概念。 因此，总的来说，3D 打印和增材制造使我们能够做到这一点。”

热分流阀只是众多 3D 打印拖拉机零件中的第一个。

3D 打印工厂夹具和工具

3D 打印机几乎遍布全球每家 John Deere 工厂，全天候 24 小时生产固定装置和工厂工具。 Scheff 表示，传统制造仍在进行，因为 7D 打印无法取代一切，但当涉及到具有独特轮廓或特殊工具的零件时，3D 打印是首选方法。

工厂固定装置几乎总是工厂生产线所独有的，而且小批量加工的成本很高。 为了促进 3D 打印这些零件，约翰迪尔在不同地点建立了一个全球 3D 打印机网络，这些打印机采用不同的打印机技术，大型工厂满足小型工厂的需求。

在 John Deere 的每家工厂中，制造工程部门的任务是寻找最高效的制造工艺，提出新工具并确定它们是否最好采用增材制造或传统技术制造。 然后，Müller 的数字工程团队开发数字模型，这些模型被送回工厂进行 3D 打印或外包给当地的 3D 打印服务。

Müller 表示，从原型到最终组件、工具和备件，3D 打印是约翰迪尔寻求成为一个更加数字化和敏捷的组织的主要资产之一。 它使工程师能够通过零件快速原型制作更快地将概念从想法发展为物理零件，现在，通过其最新项目，可以更快、更便宜地将更高效的发动机零件推向市场。