8 uitdagingen Additive Manufacturing moet worden opgelost om levensvatbaar te worden voor productie

Additieve productie heeft een lange weg afgelegd sinds de dagen van rapid prototyping. Sinds de opkomst in de jaren tachtig hebben 3D-printtechnologieën innovatieve toepassingen gevonden en helpen ze de productiekosten en doorlooptijden te verlagen, de productprestaties te verbeteren en massaaanpassing op schaal mogelijk te maken. Desalniettemin staat AM voor grote uitdagingen als het gaat om grootschalige productie. In dit artikel schetsen we de 8 uitdagingen waarmee de industrie wordt geconfronteerd, en de stappen die worden genomen om deze aan te pakken.

1. Een businesscase identificeren

Het maken van de businesscase voor additive manufacturing is een uitdaging waar veel bedrijven mee te maken hebben, vooral met de hoge kosten om aan de slag te gaan. De financiële voordelen op lange termijn van additive manufacturing zijn duidelijk en omvatten:

• Lagere gereedschapskosten
• Mogelijkheid om op een kosteneffectieve manier complexe geometrieën te produceren
• Voordelige aanpassing

Het feit blijft echter dat investeringen vooraf in de technologie - van hardware tot materialen en mogelijk nabewerkingsapparatuur - vereist zullen zijn.

Voor wie op zoek is naar metaal 3D-printen, bijvoorbeeld, metalen AM-machines kunnen gemakkelijk meer dan $ 100.000 kosten, exclusief de materiaalkosten en de nabewerkingsapparatuur.

De overstap naar de integratie van AM in bestaande productieworkflows lijkt daarom moeilijk te rechtvaardigen. AM's investeringsrendement moet gelijk zijn aan of hoger zijn dan andere beschikbare productiemethoden, zoals Tim Weber, Global Head van HP Metal Jet, uitlegt:

“Fabrikanten van 3D-printers moeten een superieure economie hebben die ons in staat stelt te concurreren , niet met andere additieve productiebedrijven, maar met traditionele methoden zoals investeringsgieten, metaalspuitgieten en CNC.”

Er zijn echter een aantal stappen die kunnen en worden genomen om dit aan te pakken.

Een lage toetredingsdrempel is om de diensten van 3D-printservicebureaus in te schakelen en hun expertise te benutten om de meest relevante 3D-printtoepassingen voor uw bedrijf te identificeren.

Naast het identificeren van de gebieden waar 3D-printen een troef zal zijn, moeten fabrikanten ook de kosten evalueren om te begrijpen of 3D-printen of traditionele methoden (spuitgieten, CNC-bewerkingen enz.) het meest geschikt zijn voor een bepaalde toepassing .

Aan de andere kant, naarmate de industrie volwassener wordt, worden lagere machine-, materiaal- en bedrijfskosten verwacht. Deze ontwikkelingen zullen op termijn de transitie van AM naar serieproductie vergemakkelijken.

2. Productievolumes

Om de hoge volumes (en korte doorlooptijden) die nodig zijn voor serieproductie te ondersteunen, moeten workflows voor additieve fabricage zowel snel als schaalbaar zijn. Momenteel missen de meeste AM-systemen de snelheid die nodig is voor massaproductie, vooral in vergelijking met conventionele productiemethoden.

Terwijl AM-hardwarefabrikanten snellere systemen ontwikkelen om dit aan te pakken, is de afdruktijd per onderdeel slechts een stukje van de puzzel. Alle voor- en nabewerkingsstappen bepalen ook de potentiële doorvoer en moeten ook in aanmerking worden genomen.

De nabewerking is bijvoorbeeld een belangrijk knelpunt. Bijna alle 3D-geprinte onderdelen vereisen een soort nabewerking, die 30-60% van het totale productieproces uitmaakt. Het zal nodig zijn manieren te vinden om de nabewerkingsfase te automatiseren - en bedrijven zoals PostProcess Technologies stellen al nabewerkingsoplossingen voor.

Het verbeteren van AM-buildtijden, het automatiseren van elke fase van de AM-workflow en het minimaliseren van de nabewerkingsstappen zijn daarom cruciale stappen die nodig zijn om AM op te schalen naar grotere volumes.

3. Herhaalbaarheid

De behoefte aan herhaalbaarheid als het gaat om serieproductie kan niet worden onderschat. Het consequent produceren van betrouwbare onderdelen is echter een voortdurende uitdaging voor AM. Het gebruik van dezelfde instellingen kan bijvoorbeeld nog steeds leiden tot verschillen in het produceren van hetzelfde onderdeel.

De lijst met factoren die van invloed kunnen zijn op de kwaliteit van een definitief onderdeel is lang en omvat:onderdeeloriëntatie binnen het bouwplatform, machinekalibratie, materiaalkwaliteit en hoe onderdelen uit een build worden verwijderd.

Alle procesvariabelen die bij het proces betrokken zijn, moeten strikt worden gedefinieerd en gecontroleerd om elke keer een succesvolle afdruk mogelijk te maken, en dat is geen geringe prestatie.

Het goede nieuws is dat de industrie stappen onderneemt om voorspellende en reproduceerbare additive manufacturing mogelijk te maken. Fabrikanten van AM-systemen ontwikkelen bijvoorbeeld nieuwe machines die zijn uitgerust met in-process monitoring en closed-loop feedbackcontrolesystemen om meer controle over het productieproces mogelijk te maken.

4. Beschikbaarheid materiaal

De materiaalontwikkeling heeft een lange weg afgelegd sinds de gepatenteerde filamenten van weleer. Momenteel kunnen 3D-printtechnologieën worden gebruikt met een breed scala aan materialen, waaronder metalen, keramiek, polymeren en composieten.

Toch blijft de beschikbaarheid van geschikte materialen een van de grootste belemmeringen voor het gebruik van additive manufacturing als productiemethode. De materiaaldiversiteit is beperkt en er is slechts een relatief klein aantal compatibele materialen beschikbaar.

Een van de redenen hiervoor ligt in de gepatenteerde aard van veel 3D-printbare materialen. Hoewel het gepatenteerd maken van materialen een bedrijf kan helpen zijn monopolie te vestigen, dwingt het klanten om hun materialen rechtstreeks bij hun 3D-printerfabrikanten te kopen.

Het certificeren van AM-materialen is de tweede horde. Certificering is vereist om ervoor te zorgen dat AM-materialen aan dezelfde normen voldoen als traditionele methoden en kan een tijdrovend en duur proces zijn.

Dat gezegd hebbende, evolueert de AM-materialenmarkt snel, waarbij de overgrote meerderheid van fabrikanten nu openstaat voor de ontwikkeling van nieuwe materialen door derden. Sommige bedrijven, zoals Ultimaker en HP, omarmen actief een open-platformaanpak, waardoor samenwerking met enkele van de grootste materiaalleveranciers mogelijk wordt. Deze ontwikkelingen zullen op hun beurt een snellere materiaalinnovatie mogelijk maken.

In een recent interview met AMFG zegt Ultimaker President John Kawola:“In het verleden waren de meeste 3D-printtechnologieën beperkt tot slechts een handvol materialen, voornamelijk voor prototyping. De grootste bedrijven in die ruimte, zoals 3D Systems, EOS en Stratasys, hadden geen honderden materiaalwetenschappers in dienst - ze hadden er een paar en ontwikkelden materialen voor hun individuele platforms.

“Maar zodra je de grotere plasticbedrijven een stimulans geeft om mee te doen, brengen ze al hun collectieve wijsheid op de markt, wat volgens mij iedereen helpt.”

5. Beveiliging

Beveiliging wordt steeds belangrijker voor bedrijven die additieve productie willen toepassen.

Net als andere digitale Industrie 4.0-technologieën is 3D-printen kwetsbaar voor veiligheidsrisico's en cyberaanvallen. Het potentieel van gestolen of geknoeide gegevens kan bijvoorbeeld het intellectuele eigendom van een bedrijf in gevaar brengen.

Beveiliging zal vooral belangrijk worden naarmate nieuwe bedrijfsmodellen met virtuele voorraden en gedecentraliseerde, on-demand productie aan kracht blijven winnen. Om dit stadium te bereiken, moeten echter oplossingen op maat worden ontwikkeld om de beveiliging en IP-bescherming in het hele AM-ecosysteem te waarborgen.

Op dit moment bevinden dergelijke oplossingen zich in de beginfase van adoptie. Bedrijven als AMFG en LEO Lane zijn opvallende strategische partnerships. Anderen dienen patenten in en lanceren initiatieven om beveiligingstechnologieën zoals blockchain aan te passen voor additieve fabricage.

Het aanpakken van de zorgen over het beveiligen van de digitale draad zal niet alleen het vertrouwen in 3D-printen als productietechnologie verhogen, maar ook zorgen voor een betere traceerbaarheid in de hele toeleveringsketen.

6. Standaardisatie

Het ontbreken van een uitgebreide reeks normen voor additive manufacturing blijft een van de belangrijkste belemmeringen voor de technologie om mainstream te worden.

In sterk gereguleerde sectoren zoals lucht- en ruimtevaart en defensie, de medische sector en de automobielsector, moeten 3D-geprinte onderdelen die bestemd zijn voor eindgebruik aan strenge eisen voldoen. Certificering en standaardisatie zullen de sleutel zijn om dit vertrouwen op te bouwen en robuuste certificeringsbenaderingen tot stand te brengen. Momenteel zijn veel van de bestaande productierichtlijnen alleen van toepassing op traditionele productiemethoden, en er zullen nieuwe normen moeten worden ontwikkeld of aangepast voor AM.

De weg naar AM-standaardisatie is echter lang. Gelukkig zijn enkele van de grootste organisaties voor de ontwikkeling van normen, zoals ISO en ASTM International, al begonnen met het ontwikkelen van industriebrede normen.

Dankzij hun inspanningen zijn er al meer dan 25 goedgekeurde normen met nog eens 19 normen in ontwikkeling (vanaf eind 2018). ASTM International investeert ook zwaar in AM-gerichte onderzoeksprojecten, op zoek naar een overbrugging van de kloof tussen R&D, standaardisatie en de bredere commercialisering van de industrie.

7. Trainen

Misschien wel de belangrijkste belemmering voor de adoptie van AM is de huidige vaardigheidskloof. Een rapport van Deloitte uit 2016 concludeert dat negen van de tien fabrikanten moeite hebben om werknemers met de juiste vaardigheden aan te nemen. Het tekort aan vaardigheden is dus een probleem waarmee de industrie als geheel wordt geconfronteerd.

Geavanceerde technologieën zoals additive manufacturing vereisen een nieuwe reeks vaardigheden. Neem als voorbeeld ontwerp voor additieve fabricage (DfAM):tools zoals generatief ontwerp en topologie-optimalisatie vereisen dat ingenieurs conventionele benaderingen van ontwerpen heroverwegen. Andere gebieden zijn onder meer machineonderhoud, materiaalbehandeling en kennis van nabewerking.

Onderwijs en training zullen de oplossing zijn om de transitie te maken. Bedrijven moeten actief investeren in het opleiden van hun personeel, waardoor werknemers de kans krijgen om te leren en innovatie te stimuleren door middel van deze geavanceerde technologieën.

8. End-to-end workflows

3D-printen is een van de belangrijke technologieën bij het opzetten van 'slimme fabrieken'.

Toch is de realiteit dat de meeste bedrijven moeite hebben om een ​​end-to-end AM-workflowbeheerproces op te zetten. Een knelpunt ligt in het gebruik van verschillende softwarepakketten om van ontwerp naar het voltooide onderdeel te gaan. Dit zorgt voor een losgekoppeld proces, wat de efficiëntie sterk vermindert.

Gelukkig zijn er steeds meer oplossingen om dit knelpunt aan te pakken. Er is bijvoorbeeld software voor workflowautomatisering ontstaan ​​om de problemen van niet-verbonden workflowprocessen aan te pakken. Door één platform te gebruiken om het hele AM-ecosysteem te beheren, van verzoeken tot controle na de productie, is zowel de automatisering van handmatige, routinematige taken als een grotere traceerbaarheid in elke fase van het AM-proces mogelijk.

Vooruitkijken

Additive manufacturing heeft de afgelopen jaren een snelle ontwikkeling doorgemaakt en 2019 lijkt daarop geen uitzondering te zijn. Hoewel er vooruitgang wordt geboekt om AM te industrialiseren, is er nog een lange weg te gaan voordat de technologie levensvatbaar kan worden gebruikt als een productiemethode voor eindonderdelen op grote schaal. De kosten zullen omlaag moeten, er moet meer aandacht komen voor training en bedrijven zullen de waarde van de technologie voor hun toepassingen moeten zien te vinden. Naarmate de technologie en de industrie volwassener worden en deze uitdagingen worden aangepakt, zal de snelheid van AM-adoptie alleen maar toenemen.