De pandemie versnelt een verschuiving naar 3D-printen

In een tijdsbestek van weken heeft de COVID-19-pandemie het leven over de hele wereld op zijn kop gezet en de impact wordt met de dag ernstiger. De snelheid en alomtegenwoordigheid van de verstoring is ongeëvenaard in de moderne geschiedenis, nu hele economieën tot stilstand komen in een poging de verspreiding van het virus in te dammen. Samenlevingen werden gedwongen zich snel aan te passen aan de disruptie, waarbij ze zich in veel gevallen wendden tot technologieën die al lang werden geprezen vanwege hun eigen disruptieve potentieel.

In de toeleveringsketen heeft additive manufacturing, ook wel 3D-printen genoemd, eindelijk zijn moment.

In alle bedrijfstakken zijn toeleveringsketens hard getroffen omdat fabrieken zijn gesloten of de productie hebben beperkt. Niemand is echter meer onder druk komen te staan ​​dan de medische toeleveringsketen, aangezien de vraag naar beschermende uitrusting zoals maskers en handschoenen, evenals naar kritieke levensreddende uitrusting zoals ventilatoren stijgt. Ziekenhuizen zullen waarschijnlijk binnenkort overweldigd raken, met capaciteit en voorraden die tot het uiterste worden gedreven. In het licht van deze ongekende uitdaging is additive manufacturing tussenbeide gekomen om de leemte op te vullen.

Toen leveranciers niet konden voldoen aan de stijgende vraag naar levensreddende beademingsventielen, schakelde een ziekenhuis in Brescia, een van de zwaarst getroffen regio's in Noord-Italië, over op additive manufacturing. Door nauw samen te werken met lokale bedrijven Issinova, Lonati SpA en The FabLab, kon het ziekenhuis het ontwerp van de ventilatorklep reverse-engineeren. Binnen zes uur was het 3D-printen van nieuwe kleppen ter plaatse en het redden van levens.

In de weken daarna zoemden 3D-printers over de hele wereld om ziekenhuizen te bevoorraden. Aanbieders zoals Formlabs en MatterHackers hebben online hubs opgezet om ziekenhuizen te verbinden met klanten die hun 3D-printers willen delen. Bedrijven van SmileDirectClub tot Volkswagen hebben vrijwillig hun additive manufacturing-capaciteiten aangeboden om kritieke beschermingsmiddelen en onderdelen van beademingsapparatuur te leveren. Ondertussen deelt een groeiende online community van makers CAD-ontwerpen en ideeën om op de pandemie te reageren.

Een van deze initiatieven die ik persoonlijk steun, is MasksOn, dat tot doel heeft 50.000 herbruikbare en desinfecteerbare gezichtsmaskers te leveren voor clinici in risicovolle omgevingen. Het initiatief zet volgelaats-snorkelmaskers om in herbruikbare gelaatsschermen, waarbij 3D-printen wordt gebruikt voor massaproductie van ademfilteradapters van medische kwaliteit. (Een volledige lijst van gemeenschapsbronnen en projecten voor 3D-printen die zijn gewijd aan de COVID-19-pandemie vindt u hier.)

De reactie van de additive manufacturing-gemeenschap op deze crisis was inspirerend. Wat de pandemie echter heeft onthuld, is de onderliggende kwetsbaarheid van geglobaliseerde toeleveringsketens. Organisaties zijn gedwongen hun afhankelijkheid van verre of buitenlandse leveranciers te heroverwegen.

Hoewel 3D-printen nog niet op een schaal beschikbaar is om gelokaliseerde productie voor alles te ondersteunen, wijzen de eerste resultaten van de pandemische reactie op een veelbelovende toekomst. Kan de pandemie een katalysator zijn voor een wijdverbreide verschuiving naar additive manufacturing in de toeleveringsketen?

Dit is wat de toekomst zou kunnen brengen:

On-demand, onsite en just in time

Verstoringen van de toeleveringsketen zijn niet beperkt tot pandemieën. Natuurrampen, handelsbeleid en arbeidsstakingen kunnen allemaal de stroom van voorraden onderbreken, waardoor kritieke operaties worden vertraagd. Additive manufacturing kan de leemte opvullen door onderdelen on demand en, zoals het Bresciaanse ziekenhuis laat zien, on-site te printen. Op hun beurt kunnen operationele onderbrekingen worden verkort of geëlimineerd door overzeese productie en verzending te omzeilen.

Denk aan een pijpleiding die breekt op een diepzee-booreiland. Het wachten op een vervangend onderdeel kan dagen duren, het stationair draaien van de machine en het stilleggen van de inkomsten. Met een 3D-printer konden technici op de installatie snel een patchklem ontwerpen en afdrukken en weer aan het pompen beginnen terwijl ze wachten tot de leverancier een vervanging voor de lange termijn verzendt.

In Brescia worden de makers die de beademingskleppen voor additieve fabricage hebben omgebouwd, nu geconfronteerd met een mogelijke rechtszaak van de oorspronkelijke leverancier van beademingskleppen van het ziekenhuis wegens inbreuk op het octrooi. Om geschillen over intellectueel eigendom in de toekomst te verminderen, kunnen fabrikanten hun ontwerpen in licentie geven aan hun klanten, zodat ze vervangende onderdelen lokaal kunnen printen om onvoorziene leemten in het aanbod op te vullen. Dit zou op zijn beurt leiden tot besparingen voor de fabrikant, aangezien zij hun productiekosten "uitbesteden" aan de klant.

Niet-expertontwerp

Zoals de 3D-geprinte ventilatorkleppen in Brescia illustreerden, is het voor ingenieurs met weinig tot geen ervaring met het ontwerpen van een bepaald onderdeel mogelijk om snel een functioneel ontwerp te ontwerpen en dit te maken met additieve fabricage. In tegenstelling tot andere fabricagetechnieken betekent de flexibiliteit van additieve fabricage dat ingenieurs en ontwerpers geen jarenlange ervaring nodig hebben om hun ontwerpen aan te passen aan de beperkingen van de maakbaarheid.

Additive's empowerment van onervaren ontwerpers zal verder worden gebracht door generatief ontwerp, ook wel bekend als AI-ondersteund ontwerp. De software van vandaag kan automatisch optimaliseren voor verschillende productietechnieken, waardoor de tijd tussen ontwerp en productie wordt verkort. Het optimaliseren van ontwerpen voor additive manufacturing is bijzonder waardevol, niet alleen voor de implicaties voor de toeleveringsketen, maar ook omdat het betere ontwerpen kan ontsluiten.

Generatieve AI voert duizenden simulaties uit om de beste en meest efficiënte ontwerpen te vinden die voldoen aan alle doelen en beperkingen van de ontwerper, waarbij wordt geoptimaliseerd voor zaken als gewicht, sterkte, thermische eigenschappen en vloeistofdynamica. In de meeste gevallen hebben de resultaten betrekking op complexe, organische geometrieën, in tegenstelling tot de strakke rechte lijnen en veelvlakken waartoe menselijke ontwerpers aangetrokken worden. Het blijkt dat deze organische, onregelmatige vormen het meest effectief kunnen worden gecreëerd door additieve fabricage.

Deelconsolidatie

Een ander voordeel van generatief ontwerp is de mogelijkheid om ontwerpen van assemblages die uit meerdere componenten bestaan, te consolideren, die vervolgens kunnen worden geprint met additieve fabricage. In plaats van een gedistribueerde toeleveringsketen voor onderdelen en assemblage in eigen huis, kan de hele assemblage ter plaatse worden afgedrukt.

Gedeeltelijke consolidatie kan aanzienlijke besparingen opleveren voor fabrikanten. In tegenstelling tot subtractieve fabricage, gebruikt additive manufacturing alleen het materiaal dat nodig is voor het ontwerp, waardoor afval en materiaalkosten worden verminderd. De kosten voor het verzenden van onderdelen worden ook geëlimineerd en de montagekosten worden verlaagd, omdat er minder onderdelen hoeven te worden geassembleerd.

De consolidatie van complexe assemblages kan met name waardevol zijn voor sommige kritieke levensreddende apparatuur die tijdens de pandemie schaars zal zijn. Er zijn al ingenieurs bezig met nieuwe ontwerpen om aan de stijgende vraag te voldoen. De CoVent-19 Challenge is een crowdsourcing-inspanningen om innovatieve, snel inzetbare ventilatoren te ontwikkelen om de capaciteit van ziekenhuizen te vergroten om de stortvloed aan patiënten die moeite hebben met ademhalen te beheersen.

Jesse Coors-Blankenship is senior vice-president geavanceerde ontwikkeling bij PTC .