Dorman compete con le OEM automobilistiche grazie alla stampa 3D

Negli ultimi due anni, la crisi dei microchip, i ritardi nei trasporti e i blocchi della produzione hanno fatto aumentare vertiginosamente i prezzi delle automobili, sia nuove che usate. Chi possiede un'automobile o un camion spesso non può permettersi di acquistarne uno nuovo una volta scaduta la garanzia, perciò manutenzione e revisione di routine sono diventate fondamentali per garantire che i veicoli continuino a funzionare senza problemi. Le case automobilistiche vendono le parti e offrono servizi di manutenzione presso i loro concessionari, ma subiscono anch'esse gli stessi problemi legati alle catene di fornitura. Dal momento che ciò si riflette sui prezzi, molti automobilisti preferiscono rivolgersi ad autofficine indipendenti.

Dorman Products, un'azienda che realizza da più di cent'anni pezzi di ricambio per autoveicoli leggeri e pesanti, ha iniziato a utilizzare la stampa 3D per accelerare le tempistiche di produzione e aumentare la qualità. Sfruttando otto stampanti 3D suddivise tra due sedi, riesce a stare al passo con la continua aggiunta di nuovi marchi e modelli delle aziende produttrici di componenti originali (OEM). 

Chris Allebach, direttore della produzione additiva di Dorman, ed Eric Tryson, responsabile del team di progettazione meccanica, utilizzano le stampanti stereolitografiche (SLA) Form 2, Form 3 e Form 3L, oltre a diverse stampanti a modellazione a deposizione fusa, per eseguire la prototipazione rapida di nuovi articoli e creare dime e fissaggi personalizzati per i processi di validazione.

"Le OEM del settore automobilistico possono contare su interi team per progettare una singola parte, a volte iniziando a lavorare due anni prima dell'uscita di una nuova auto. Dobbiamo trovare il modo di garantire che le nostre parti di ricambio siano affidabili, ma possano essere immesse sul mercato velocemente. La rapidità con cui possiamo eseguire iterazioni e correzioni con la stampa 3D ha aperto la strada a progetti che in passato sarebbero stati irrealizzabili. Ci dà molta fiducia sapere che alla fine otterremo parti di alta qualità", afferma Allebach.

Al 25 dicembre 2021, il database di Dorman contava 118 000 parti diverse per centinaia di veicoli: una gamma di prodotti davvero sconfinata. "Siamo in grado di realizzare la maggioranza dei componenti di un'automobile, con una produzione media annuale che si aggira intorno alle 4000-5000 parti nuove", dichiara Tryson.

I prodotti Dorman spaziano da chiavi elettroniche e componenti base per motori a moduli elettronici complessi e parti per veicoli pesanti. Dorman analizza i difetti delle parti originali e sottopone a ingegneria inversa i prodotti, in alcuni casi trasformando completamente il design e migliorandolo. Per fare ciò, il suo team va alla ricerca delle parti originali, in alcuni casi arrivando ad acquistare automobili intere per studiare a fondo il sistema del veicolo e convalidare il design migliorato.

Come primo passaggio, il processo di progettazione richiede una riproduzione digitale delle parti in modo da poterne modificare il design. In seguito queste vengono inviate al laboratorio di metrologia di Dorman, dove viene migliorata la precisione utilizzando scanner laser senza contatto o sonde a contatto. I dati di riferimento vengono quindi ritrasmessi al team di Allebach e Tryson, che sottopone le parti a ingegneria inversa usando il software SolidWorks.

"Per permettere ai team di progettazione di ricontrollare geometria e dimensioni e garantire che siano corrette, creiamo rapidamente un prototipo, dopodiché ne realizziamo un altro in 3D che verrà esaminato dagli ingegneri di prodotto. Per loro è fondamentale toccare la parte con mano, poterla ispezionare visivamente e verificarne la compatibilità con i componenti corrispondenti del veicolo", afferma Tryson.

Il dipartimento di Allebach e Tryson non si occupa solo di sostituzioni. Nel caso della linea OE FIX™ di Dorman, le parti hanno anche lo scopo di migliorare il design originale. "Non si tratta solo di ingegneria inversa, ma di analizzare e determinare il motivo per cui una parte si è guastata e come può essere migliorata. Potremmo anche arrivare a modificare i materiali o a cambiare il progetto in generale. Per riprogettare una parte è fondamentale eseguire la prototipazione e tutti i test funzionali del caso", spiega Tryson.

Presentiamo il caso di un componente del motore soggetto a guasti frequenti. Originariamente realizzato in plastica, sviluppava spesso crepe a causa dell'esposizione prolungata al calore. Il team di Dorman ha analizzato la parte, l'ha scansionata nel laboratorio di metrologia e infine ha deciso di riprogettarla in alluminio colato. La progettazione con un materiale diverso non significava semplicemente sostituire la plastica con l'alluminio: la parte doveva anche essere idonea alla colata a pressione. Per garantire le stesse prestazioni dopo la riprogettazione, sono state eseguite numerose prototipazioni e test rigorosi di ogni iterazione. 

"Realizzare queste iterazioni in un paio d'ore e poterne fare due in un giorno è estremamente utile. Prima della stampa 3D era davvero difficile ottenere subito un risultato perfetto. Spesso passavano settimane o mesi prima di trovare l'articolo giusto. Poi, una volta prodotta la prima versione, ci rendevamo conto che aveva ancora bisogno di qualche aggiustamento prima della distribuzione", spiega Tryson. 

Una volta eseguita la prototipazione in-house di un design, Dorman passava ai test funzionali per garantire che il funzionamento della parte fosse uguale.

Poiché ciascun prodotto ha una funzione diversa, ogni protocollo di test e processo di validazione è unico. Se i processi di validazione di due parti diverse richiedono entrambi il test del flusso di fluido, ad esempio, serviranno fissaggi appositi per tenerle in posizione a causa delle diverse geometrie. 

Prima di integrare le stampanti 3D nel workflow, la necessità di fissaggi personalizzati costituiva un ostacolo per uno sviluppo rapido. Per un'azienda come Dorman, che deve stare al passo con la produzione annuale di nuovi modelli da parte delle OEM, rallentare la produzione avrebbe significato perdere importanti opportunità commerciali. 

Poiché ogni prodotto richiedeva fissaggi specifici, che non potevano essere ordinati in grandi quantità, non era possibile ricorrere a una soluzione economica come lo stampaggio a iniezione. L'unica opzione era la lavorazione meccanica, che è onerosa in termini di tempo e denaro. L'azienda doveva assicurarsi che il design fosse perfetto, mandarlo in lavorazione e aspettare settimane prima di riceverlo, dopodiché si poteva portare a termine la validazione delle parti. 

"Per fissaggi e calibri dovevamo affidarci a un'officina esterna, con tempi di attesa tra le cinque e le sei settimane. In termini economici, il costo per parte era dalle cinque alle dieci volte superiore e la geometria era limitata dalle tecniche di produzione tradizionali. Attualmente, con le stampanti 3D, sviluppiamo i fissaggi e i calibri di prova insieme alla prototipazione del prodotto, in modo che quando decidiamo il design definitivo, possiamo avere anche i fissaggi per testarlo. Cerchiamo di essere il più proattivi possibile", dice Allebach.

Un processo di validazione richiedeva due fissaggi di prova stampati in 3D per eseguire un test su un tubo pressurizzato. Uno serviva per chiudere un'estremità del tubo e far scorrere un fluido al suo interno fino ai limiti di pressurizzazione. L'altro serviva per simulare la geometria corrispondente, ovvero un radiatore di grandi dimensioni montato nel vano motore di un'automobile. Poter stampare in 3D soltanto la porzione corrispondente del radiatore consentiva al team una maggiore libertà di manovra, ma significava anche poter inviare la parte alla linea di produzione e far eseguire in loco i test di validazione delle parti appena prodotte come ulteriore processo di controllo qualità.  

"Se il componente corrispondente è un radiatore gigante, non occorre acquistare uno o più articoli interi, basta semplicemente rimuovere una piccola sezione. In questo modo possiamo concentrarci solo sulla parte che ci serve, produrla in massa e in seguito distribuirla. In fin dei conti, se una parte si rompe, bastano solo un paio di dollari per stamparne una nuova", dice Tryson.

Il team di Dorman deve sapere esattamente quale variazione dimensionale possono tollerare le parti prima che siano immessi sul mercato o installati nelle auto dei clienti, quindi le sottopone a delle analisi del tipo passa/non passa. A volte queste analisi richiedono tolleranze ridotte che Tryson e Allebach non erano certi di poter ottenere da un calibro stampato in 3D, fino a quando non hanno acquistato le stampanti Form 3+ e Form 3L. 

"Le stampanti Formlabs ci permettono di produrre calibri non passa con le tolleranze di cui abbiamo bisogno. Una volta dovevo creare un calibro non passa per iniziare a controllare le parti, per il quale era necessario un diametro con +/- 0,05 mm di tolleranza. Non pensavo sarebbe stato possibile. Alla fine siamo riusciti a stamparlo con un diametro con 0,025 mm di tolleranza. Non avrei mai pensato di ottenere un risultato del genere su una Form 3L", dice Allebach.

Tryson e Allebach sottopongono spesso le parti a una leggera post-elaborazione aggiuntiva prima di inviarle ai team vendite e marketing di Dorman. Nel caso di una parte destinata alla produzione in massa in metallo, le parti stampate tramite SLA vengono sottoposte a un processo di finitura e in seguito inviate ai dipartimenti che lavorano a contatto con la clientela. Recentemente hanno stampato dei perni a sfera in Grey Pro Resin per il team addetto ai telai, li hanno fatti galvanizzare da Repliform Inc. e poi li hanno consegnati al team marketing per la creazione di materiale promozionale. C'era solo un problema: la finitura superficiale era fin troppo perfetta! "Il team marketing ha commentato che queste parti vengono solitamente forgiate o fuse e successivamente zincate. Se avessimo deciso di usarle, sarebbero sembrate più belle dell'articolo contenuto nella scatola", dice Allebach.

Dorman ha acquistato la prima stampante FDM dieci anni fa. Da allora, Allebach e Tryson hanno continuato ad aggiungere stampanti, sfruttando al massimo la capacità di ciascuna unità e utilizzando l'intero catalogo di materiali sulle proprie stampanti SLA Formlabs. 

Nonostante al 25 dicembre 2021 il fatturato annuo globale di Dorman sfiorasse gli 1,35 miliardi di dollari, gli acquisti di attrezzature dovevano sempre essere giustificati. "Abbiamo scelto la Form 2 per la finitura superficiale e la precisione dimensionale che offre. Nel nostro caso, abbiamo ammortizzato il costo nel giro di due mesi. Quando prepariamo una giustificazione dei costi o calcoliamo il ritorno d'investimento per le stampanti Formlabs, riusciamo a rientrare della spesa in pochi mesi invece che in un arco di due anni. Questo dà alla dirigenza la certezza che la stampa 3D è un buon investimento", dichiara Tryson.

Con questa stessa certezza, Tryson e Allebach hanno deciso un anno fa di investire nella loro prima stampante di grande formato, la Form 3L, che come gli altri apparecchi rimane in funzione per 10-12 ore al giorno, a volte anche durante la notte. Avendo la libertà di usare qualsiasi resina inclusa nel catalogo, riescono a ottenere proprietà meccaniche ottimali sia per le parti grandi che per quelle piccole, semplificando il workflow.

La risoluzione dei problemi legati alle catene di fornitura sembra ancora lontana e i prezzi delle auto, sia nuove che usate, sono ancora alti. Sono sempre di più le OEM che passano all'elettrico, pertanto le parti dei nuovi modelli diventano sempre più leggere, ottimizzate per nuove tecniche di produzione (in molti casi, additiva) e costruite in materiali non convenzionali. Il settore automobilistico sta diventando sempre più dipendente dalle tecnologie di produzione additiva, sia per quanto riguarda i design originali che il mercato post-vendita. Dorman Products è sempre un passo avanti grazie ai suoi impianti all'avanguardia, ma Allebach e Tryson mantengono lo sguardo rivolto al futuro. 

"Siamo in grado di progettare e creare le parti con facilità. In generale, non dobbiamo sottostare ai limiti dei processi di produzione tradizionali e abbiamo spiegato ad altri reparti che l'aggiunta di sottosquadri o sporgenze non comporta un aumento dei costi come nel caso della lavorazione meccanica. Questo significa avere completa libertà di progettare i fissaggi nel modo in cui preferisci", afferma Allebach. 

Con un ritorno d'investimento consolidato e una familiarità sempre più grande con la tecnologia FDM e SLA, il team è ormai pronto per implementare la stampa su letto di polvere. "La modellazione a deposizione fusa ci permette di realizzare prototipi rapidi, mentre con la stereolitografia produciamo parti resistenti e ad alta precisione. Per componenti altamente funzionali a volumi più ridotti, invece, puntiamo a utilizzare la polvere", dichiara Tryson.