Studiu de caz Rheinmetall UK – Fabricație aditivă cu miniFactory Ignite pentru producția conductelor de aer ale tancului Challenger 3

Rheinmetall UK este unul dintre principalii contractori din industria de apărare din Regatul Unit, furnizând Armatei Britanice sisteme avansate pentru vehicule terestre, electronică și armament, cu un accent puternic pe capabilitățile de producție locale și independența industrială. Printre programele sale principale se numără vehiculul blindat Boxer Mechanised Infantry Vehicle (MIV), tancul principal de luptă Challenger 3 și noul centru de producție pentru țevi de tun „UK Gun Hall”.

Care a fost provocarea?

În programele anterioare de dezvoltare a vehiculelor, conductele sistemelor precum Crew Temperature Control System (CTCS) erau realizate din tuburi flexibile conectate la cutii de distribuție fabricate din tablă. Această soluție s-a dovedit fiabilă și economică timp de mulți ani.

 

În cadrul programelor de modernizare, precum Challenger 3, această abordare nu mai este însă fezabilă. Spațiul disponibil este extrem de limitat, iar integrarea noilor sisteme în arhitectura existentă a vehiculului impune geometrii complexe, imposibil sau foarte dificil de realizat prin metode convenționale.

De ce fabricația aditivă pentru conductele de aer?

Există mai multe metode de producție pentru componente complexe de conducte, precum:

  • turnarea prin injecție;
  • turnarea rotațională.

 

Aceste tehnologii necesită însă matrițe costisitoare, iar pentru producția în volume mici investiția este dificil de justificat.

 

În plus, în programele de dezvoltare militară, conductele de aer sunt modificate frecvent pe măsură ce alte subsisteme concurează pentru același spațiu disponibil. Modificările de ultim moment sunt comune, ceea ce poate impune refacerea completă a matrițelor și reproducerea pieselor deja fabricate pentru testare.

 

Fabricația aditivă elimină aceste probleme deoarece:

  • nu necesită scule sau matrițe dedicate;
  • modificările de proiectare pot fi implementate imediat;
  • complexitatea geometrică nu influențează semnificativ costul piesei.

Ce tehnologie de fabricație aditivă este potrivită? FFF, SLS sau SLA?

Pentru această aplicație au fost analizate în detaliu tehnologiile:

  • FFF (Fused Filament Fabrication)
  • SLS (Selective Laser Sintering)
  • SLA (Stereolithography)

În final, alegerea tehnologiei FFF s-a bazat pe mai mulți factori.

Proprietățile materialelor

Piesele trebuiau să îndeplinească cerințe foarte stricte privind:

  • rezistența mecanică;
  • comportamentul la foc;
  • emisii reduse de fum;
  • toxicitate scăzută;
  • funcționarea la temperaturi foarte ridicate și foarte scăzute.

Aceste cerințe au restrâns semnificativ lista materialelor compatibile.

 

Principalii candidați rămași au fost:

  • PA2241FR pentru SLS;
  • ULTEM™ 9085 pentru FFF.

La momentul evaluării nu exista niciun material SLA care să îndeplinească simultan toate aceste cerințe.

Funcționalitatea produsului

Două aspecte au fost esențiale:

Calitatea suprafeței

O suprafață netedă este importantă atât pentru aspectul piesei, cât și pentru circulația eficientă a aerului.

  • piesele SLS și SLA ies din imprimantă cu o finisare foarte bună;
  • piesele FFF au o rugozitate mai mare și necesită post-procesare.

Etanșeitatea

Conductele trebuie să fie perfect etanșe.

  • SLS și SLA produc pereți complet solizi;
  • FFF poate genera microspații între straturi, care trebuie eliminate prin vopsire sau alte tratamente de etanșare.

Dimensiunea pieselor

Unele conducte depășeau 400 mm lungime.

Acest lucru a exclus multe imprimante SLA accesibile.

Imprimantele SLS cu volum mare de construcție sunt foarte costisitoare, în timp ce imprimantele FFF industriale de mari dimensiuni sunt disponibile la costuri considerabil mai reduse.

Productivitate versus cost

Aplicația necesita producție în volum redus, ceea ce impunea un echilibru între:

  • investiția inițială;
  • costul piesei;
  • productivitate.

SLS și SLA oferă productivitate ridicată, însă presupun investiții mari atât în echipamente, cât și în infrastructură.

 

FFF este mai puțin productiv, dar costul de achiziție este semnificativ mai redus.

Producție internă sau externalizare?

O altă decizie importantă a fost dacă piesele urmau să fie:

  • fabricate intern;
  • subcontractate unui furnizor.

Au fost evaluate:

  • costul total;
  • disponibilitatea lanțului de aprovizionare;
  • flexibilitatea producției;
  • controlul asupra procesului.

Concluzii

Pentru alegerea soluției optime au fost analizate avantajele și dezavantajele fiecărei tehnologii și ale fiecărui model de producție.

 

Externalizarea elimina investiția inițială și oferea acces la experiența furnizorilor, însă existau foarte puțini furnizori care îndeplineau cerințele de securitate cibernetică (Cyber Essentials Plus). În plus, compania ar fi avut un control redus asupra producției, cicluri de dezvoltare mai lente și posibilități limitate de optimizare.

 

Atât SLA, cât și SLS necesitau investiții inițiale ridicate și o integrare mai dificilă în fabrica existentă.

 

SLS nu oferea suficientă încredere privind materialele disponibile pentru toate cerințele aplicației, iar procesul era considerabil mai complex.

 

Lanțul britanic de aprovizionare pentru piese SLS realizate din PA2241FR nu era competitiv. Pentru producția internă, investiția nu putea fi justificată deoarece imprimanta nu ar fi fost utilizată suficient. Doar volume mult mai mari ar fi făcut această variantă rentabilă.

 

FFF avea un cost de achiziție mult mai redus, era ușor de instalat, necesita mai puține măsuri speciale de siguranță și un nivel mai redus de instruire.

 

Rheinmetall UK utiliza deja imprimarea FFF pentru prototipuri, astfel încât trecerea la producția de piese finale a fost un pas firesc.

 

Capacitatea de producție FFF era suficientă pentru necesarul programului Challenger 3 și ocupa foarte puțin spațiu în atelier.

 

Limitările tehnologiei FFF au putut fi compensate economic prin vibrofinisare și vopsirea pieselor din ULTEM™ 9085, obținându-se produse de înaltă calitate fără creșteri semnificative ale costurilor.

 

În urma tuturor acestor analize, Rheinmetall UK a decis să producă intern conductele utilizând tehnologia FFF și materialul ULTEM™ 9085, considerând această soluție cea mai flexibilă, cea mai economică și cu cel mai redus nivel de risc.

De ce a fost aleasă miniFactory Ignite?

Mai mulți producători oferă imprimante FFF pentru temperaturi înalte compatibile cu ULTEM™ 9085.

După evaluarea mai multor echipamente, Rheinmetall UK a ales miniFactory Ignite din următoarele motive.

Raport excelent cost–productivitate

miniFactory Ignite oferea unul dintre cele mai mici costuri de achiziție, păstrând în același timp:

  • un volum mare de imprimare;
  • productivitate competitivă.

Volum mare de construcție

Volumul mare de imprimare permite fabricarea simultană a mai multor componente.

Acest lucru reduce:

  • costurile cu operatorii;
  • numărul intervențiilor;
  • perioadele în care imprimanta poate funcționa autonom, inclusiv pe timpul nopții și în weekend.

Securitate

Imprimantele miniFactory sunt produse în Finlanda.

Din perspectiva securității cibernetice, acest lucru a fost considerat un avantaj față de alte alternative analizate.

Costuri reduse de operare

miniFactory Ignite este un sistem deschis.

Rheinmetall UK poate achiziționa filamentul direct de la producător, la prețuri competitive.

Acest lucru reduce semnificativ costul fiecărei piese.

De asemenea, costul total de exploatare este mai redus datorită:

  • plăcilor reutilizabile;
  • duzelor cu durată mare de viață;
  • pachetului de service accesibil.

Suport tehnic în Regatul Unit

Nu toți producătorii ofereau service local.

Pentru Rheinmetall UK acest aspect era critic, deoarece perioadele de nefuncționare pot întârzia întregul program.

Suportul pentru miniFactory este furnizat în Marea Britanie de 3DGBIRE, aflat la doar câteva ore de fabrica Rheinmetall UK din Telford.

Ce a urmat după instalarea imprimantei?

Achiziția imprimantei a reprezentat doar începutul.

Prezența echipamentului în fabrică a permis proiectanților:

  • să înțeleagă mai bine impactul deciziilor de proiectare;
  • să optimizeze funcționalitatea pieselor;
  • să reducă costurile;
  • să perfecționeze profilurile de imprimare.

În mod obișnuit, fabricația aditivă urmărește reducerea numărului de componente prin integrarea lor într-o singură piesă.

În acest caz s-a descoperit exact contrariul.

Împărțirea pieselor și introducerea îmbinărilor a redus sau chiar eliminat necesitatea structurilor suport.

Rezultatul:

  • timp de imprimare mai mic;
  • consum redus de material;
  • post-procesare mai simplă;
  • productivitate mai mare folosind o singură imprimantă.

Au fost optimizate inclusiv:

  • aranjarea loturilor de imprimare;
  • metodele de post-procesare;
  • tehnicile de îmbinare;
  • adezivii compatibili;
  • sistemele de identificare a pieselor;
  • metodele de finisare;
  • procesele de vopsire.

Realizarea acestor optimizări împreună cu un furnizor extern ar fi fost mult mai costisitoare și ar fi necesitat mult mai mult timp.

Rezultatele obținute

După implementarea miniFactory Ignite și optimizarea proceselor, fabricația aditivă a devenit metoda standard pentru producția conductelor de aer din programul Challenger 3.

Compania poate acum:

  • modifica un proiect;
  • imprima piesa actualizată;
  • produce componenta de înlocuire în aceeași zi.

Trecerea la fabricația aditivă a generat economii importante, însă cel mai mare beneficiu îl reprezintă îmbunătățirea fluxului de numerar.

Producția la cerere elimină:

  • necesitatea stocurilor mari;
  • costurile aferente depozitării;
  • investițiile în matrițe;
  • riscul costurilor suplimentare generate de modificările de proiect.

Dacă o piesă este deteriorată în timpul montajului, aceasta poate fi reprodusă rapid.

Prezența echipamentului în fabrică a accelerat semnificativ acumularea de cunoștințe privind principiile Design for Additive Manufacturing (DfAM), conducând la:

  • produse de calitate superioară;
  • productivitate crescută;
  • costuri reduse.

De asemenea, fabricația aditivă a redus riscurile programului prin posibilitatea de a reacționa rapid la modificările de proiect și de a evita ciclurile lungi de achiziție.

Accesul direct al proiectanților la echipamentele de producție a stimulat permanent optimizarea designului și eficiența costurilor.

Acest proiect a accelerat adoptarea fabricației aditive pentru piese finale în cadrul Rheinmetall UK.

După succesul obținut cu miniFactory Ignite pentru producția conductelor din polimer, compania a investit și în tehnologia Metal Paste Deposition de la Rapidia pentru fabricarea componentelor metalice din oțel destinate vehiculelor militare.

Pe măsură ce tehnologiile evoluează, este de așteptat ca tot mai multe componente să devină rentabile pentru producția prin fabricație aditivă.

Autor: Julian Wright
Technology Programmes Manager
Rheinmetall BAE Systems Land Ltd

Pentru mai multe informații:

Contactați-ne