John Deere recurre a la impresión 3D de piezas de motor más eficientes

El nuevo tractor de la serie 6R de John Deere cuenta con una válvula de combustible impresa en 3D.

Los nuevos tractores John Deere que salen de la línea de fabricación en Mannheim, Alemania, tienen una novedad para la empresa: una pieza de motor impresa en 3D de metal.

El fabricante mundial de equipos agrícolas y de césped no es ajeno a la impresión 3D, ya que la ha utilizado durante más de 20 años para fabricar miles de prototipos, herramientas, plantillas y accesorios en sus fábricas globales. Pero la válvula de acero inoxidable impresa en 3D en el sistema de combustible del tractor es una nueva dirección y parte de lo que la compañía llama su Estrategia Industrial Inteligente.

Lanzado en 2020, John Deere anunció su visión de integrar rápidamente nuevas tecnologías en tres áreas de enfoque: sistemas de producción, su pila de tecnología y soluciones de ciclo de vida.

La impresión 3D es parte de esta visión, y esta válvula es uno de sus primeros frutos. Es más eficiente que si se fabricara de forma tradicional. Es aproximadamente un 50% más barato y significativamente más pequeño, utilizando menos material. Pero esto es solo una pequeña parte de por qué John Deere decidió imprimir esta pieza en 3D.

John Deere ha impreso en 3D miles de válvulas desviadoras térmicas para sus nuevos tractores de las series 6R y 6M... [+].

La primera de muchas piezas impresas en 3D

La nueva válvula de desvío térmico en las últimas versiones de los tractores John Deere 6R y 6M no es solo una aplicación innovadora de la tecnología de impresión 3D de metal cada vez más accesible, es la culminación de aproximadamente dos años de investigación y desarrollo.

Comenzó con el desafío de garantizar que los tractores John Deere funcionaran en ambientes fríos. Se encargó a los ingenieros que desarrollaran una válvula que pudiera mantener la temperatura del combustible sin afectar el rendimiento del motor.

"Primero, comienza con lo que quiere que haga la pieza", dice Udo Scheff, director de ingeniería de tractores pequeños y medianos de John Deere, "y trabaja optimizando la dinámica de fluidos computacional y simulándola en el mundo virtual, luego transfiere eso en diseños digitales para un modelo prototipo".

El modelo prototipo idealizado, el que dejaba fluir el combustible con mayor eficiencia, tenía canales internos redondeados y suaves. Una característica, dice Scheff, solo es posible crearla con impresión 3D.

"En dinámica de fluidos, cuando tiene dos orificios de perforación que se cruzan, siempre tiene esquinas afiladas si usa herramientas de mecanizado. Con la impresión 3D, puede tener esquinas redondeadas, que es el elemento que nos trajo otro paso adelante en la optimización de la válvula."

Para probar si la pieza funcionaría como se esperaba, los ingenieros de John Deere trabajaron con el personal de fabricación aditiva de GKN Additive (Forecast 3D) de Alemania, un fabricante digital de piezas y materiales metálicos, para optimizar aún más el diseño de la válvula de combustible para la impresión 3D de metal. . GKN imprimió válvulas prototipo en acero en la nueva impresora 3D de metal de HP HPQ, la solución Metal Jet S100. Esta impresora utiliza una de las tecnologías de impresión 3D de metal (hay varias) llamada inyección de aglomerante, en la que se une un polvo de metal con un agente aglutinante capa sobre capa para formar una pieza que luego se sinteriza en un horno de grado industrial. Posteriormente, la pieza se mecaniza y ensambla.

Ingenieros de diseño en la fábrica de John Deere en Mannheim, Alemania.

La válvula de desvío térmico se sometió a pruebas rigurosas para garantizar la calidad requerida de la tubería, que es igual a la del metal maquinado o fundido a la cera perdida. Las pruebas de campo de la pieza también fueron un éxito.

"Así que este es el punto en el que tuvimos que decidir cómo íbamos a fabricar esta pieza para cumplir con la propiedad del material y otros requisitos", dice Scheff, quien también tuvo que considerar su plazo ajustado para esta pieza, cuánto costaría la herramienta, y cómo encajaría la pieza en el flujo de trabajo del ensamblaje.

"Y fue entonces cuando decidimos, está bien, si esta pieza impresa en 3D funciona en las pruebas y la fabricación aditiva es rentable, también funcionará en la producción", dice Scheff.

La creación de prototipos con el mismo material y método que se utilizará para la pieza de producción final brinda a los ingenieros mayores garantías de rendimiento. "Elegimos el proceso de chorro de metal de HP porque es mucho más rápido que otros procesos de impresión 3D de metal", agrega Jochen Müller, gerente de ingeniería digital global de John Deere. "Estamos descubriendo oportunidades para ofrecer equipos más eficientes, confiables y sustentables, y HP nos brindó la solución perfecta para eso".

La nueva válvula desviadora térmica del tractor John Deere impresa en 3D garantiza temperaturas de combustible constantes.

Impresión 3D de metal en volúmenes de producción

Actualmente, más de 4000 válvulas se envían desde GKN a la fábrica de tractores John Deere para su montaje final a un precio por pieza inferior al de la forja o el fresado. Los tractores con esta pieza impresa en 3D ya están en el campo, literalmente.

Müller dice que otro beneficio de la impresión 3D de esta pieza en particular en lugar de utilizar métodos tradicionales es la agilidad añadida en el proceso de fabricación. Debido a que la impresión 3D no requiere moldes ni herramientas, los prototipos de piezas fueron más rápidos y económicos de crear, lo que aceleró el proceso de diseño. El diseño se puede ajustar y mejorar en cualquier momento. Además, cuando se trata de repuestos, no es necesario un inventario permanente. El archivo digital de este valor se puede enviar a cualquier fabricante externo con tecnología HP Metal Jet y se puede producir de forma relativamente local y rápida.

Aunque un inventario digital completo de reparación y piezas de repuesto para los equipos John Deer actuales y heredados es todavía un proyecto de futuro lejano, la empresa ya ve los beneficios potenciales.

"Tenemos una gran organización de repuestos que está muy, muy interesada en la impresión 3D", dice Müller. La empresa ya está pensando en qué y cuántas piezas de repuesto se pueden convertir en archivos digitales imprimibles en 3D, lo que eliminaría el almacenamiento. "Por lo general, tenemos piezas de repuesto en stock durante aproximadamente 20 años, a veces incluso más, y es muy difícil predecir qué hacer con las existencias disponibles y cómo reponer las existencias si se agotan".

Más allá de la impresión 3D de piezas de repuesto bajo demanda, Müller prevé un futuro en el que John Deere pueda analizar piezas desgastadas o rotas e imprimir en 3D piezas personalizadas reforzadas para casos de uso individuales.

Planta de ensamblaje de tractores John Deere en Mannheim, Alemania.

Impresión 3D probada a través de prototipos

John Deere, al igual que muchas empresas de fabricación y automoción, comenzó a imprimir en 3D en su laboratorio de ingeniería con prototipos de diseño de polímeros de piezas y conceptos de vehículos.

La empresa aprendió rápidamente que tener modelos físicos para manejar, ajustar y comparar con piezas existentes es invaluable en la fase de diseño. "La gente de la línea de montaje puede verificar si su pieza conceptual es factible desde una perspectiva de fabricación", señala Scheff.

Estos prototipos son más eficientes y significativamente más rápidos que el mecanizado o el tallado en madera, que era una de las técnicas utilizadas antes de que John Deere comenzara a imprimir en 3D en el año 2000.

"Nuestras capacidades de impresión 3D internas permiten a nuestros diseñadores probar fácilmente sus ideas y verificar sus conceptos en una etapa muy temprana dentro del proceso de desarrollo", agrega Müller. "Es un tipo de mentalidad de 'fracaso temprano'. Queremos traer todos los conceptos al piso como modelos físicos y tener diversos grupos juntos para llegar al concepto correcto. Entonces, la impresión 3D y la fabricación aditiva, en general, nos empodera Para hacer eso."

La válvula de desviación térmica es solo la primera de muchas piezas de tractores impresas en 3D por venir.

Las piezas impresas en 3D en John Deere comienzan como modelos digitales.

Plantillas y herramientas de fábrica de impresión 3D

Las impresoras 3D se encuentran en casi todas las fábricas de John Deere en todo el mundo y producen accesorios y herramientas de fábrica las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Scheff dice que todavía se lleva a cabo la fabricación tradicional porque la impresión 3D no puede reemplazar todo, pero cuando se trata de piezas con contornos únicos o herramientas especiales, la impresión 3D es el método de elección.

Los accesorios de fábrica casi siempre son exclusivos de una línea de fábrica y costosos de mecanizar en pequeñas cantidades. Para facilitar la impresión 3D de estas piezas, John Deere estableció una red global de impresoras 3D con diferentes tecnologías de impresión en varios lugares y las fábricas más grandes satisfacen las necesidades de las fábricas más pequeñas.

En cada fábrica de John Deere, el departamento de ingeniería de fabricación, que tiene la tarea de encontrar los procesos de fabricación más eficientes, propone nuevas herramientas y determina si es mejor fabricarlas con tecnologías aditivas o tradicionales. Luego, el grupo de ingeniería digital de Müller desarrolla los modelos digitales que se envían a la fábrica para imprimir en 3D o subcontratar a un servicio de impresión 3D local.

Desde prototipos hasta componentes finales, herramientas y repuestos, la impresión 3D es uno de los principales activos de John Deere en su búsqueda por ser una organización más digital y ágil, dice Müller. Permite a los ingenieros desarrollar conceptos desde la idea hasta la pieza física más rápido a través de la creación rápida de prototipos y ahora, con su último proyecto, traer piezas de motor más eficientes al mercado de forma más rápida y económica.