COVID-19 heeft 3D-printen in de schijnwerpers geduwd

In de begindagen van de reactie op de COVID-19-pandemie was 3D-printen een toppresteerder en haalde het de krantenkoppen links en rechts. Blijkbaar was iedereen iets aan het printen voor hun plaatselijke ziekenhuis.

Maanden later is het aantal verhalen dat de manieren aanprijst waarop 3D-printen kan worden gebruikt om persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) en onderdelen voor ventilatoren te printen, afgenomen. Toch is de rol van de technologie in de strijd tegen het virus blijven evolueren.

Toen COVID-19 toesloeg, werden de VS, samen met de rest van de wereld, met platte voeten betrapt. Toen de vraag naar persoonlijke beschermingsmiddelen explodeerde, raakten de voorraden gelaatsschermen, ventilatoren en maskers op.

Geconfronteerd met deze moeilijke omstandigheden, hebben individuen en bedrijven hun hersens gebroken over hoe ze de situatie konden verlichten. Voor degenen die zijn uitgerust met 3D-printers, was de beslissing eenvoudig:zet ze aan het werk om onderdelen te maken.

Binnen enkele dagen zetten hobbyisten, jobshops, contractfabrikanten en bedrijven hun apparatuur voor additieve productie aan het werk om persoonlijke beschermingsmiddelen te printen. Talloze CAD-bestanden zijn met de snelheid van het licht over de hele wereld geschoten, van ventilatorsplitters tot vervangende maskerconcepten tot gelaatsschermen. De ontwerpen waren vaak geoptimaliseerd voor het drukproces, waardoor tijd en moeite voor en na het proces werd bespaard.

Ontwerpen werden vrijwel direct tastbare producten door middel van 3D-printen. De techniek is een voorbeeld van de overgang naar Industrie 4.0, omdat de machines weinig tot geen insteltijd nodig hebben. Laad de machine gewoon met het juiste materiaal, upload een goed ontworpen CAD- of slice-bestand, voer de parameters in, druk op print en u heeft binnen enkele minuten tot uren onderdelen.

Toch waren er enkele tekortkomingen verbonden aan het leunen op 3D-printen om het PBM-tekort te verminderen. Veel ziekenhuizen moesten gedoneerde bedrukte onderdelen weggooien omdat ze niet aan de vereiste specificaties voldeden. Sommige 3D-printprocessen waren bijvoorbeeld niet in staat om onderdelen luchtdicht af te drukken, waardoor bepaalde maskeronderdelen onbruikbaar werden.

Als reactie daarop zijn het National Institute for Additive Manufacturing Innovation, National Institutes of Health, Food and Drug Administration en Department of Veterans Affairs een samenwerking aangegaan voor het snel doorlichten en goedkeuren van haalbare ontwerpen. De inspanning hielp om de drukinspanningen te standaardiseren. Desalniettemin waren veel makers waarschijnlijk niet op de hoogte van dit verrekenkantoor voor ontwerpen.

Een ander nadeel van de onmiddellijke reactie op 3D-printen op COVID-19 was de focus op componenten in plaats van op de assemblage van volledige producten. Ontwerpen voor bedrukte hoofdbanden voor gezichtsschermen werden bijvoorbeeld goedgekeurd, maar complementaire componenten zoals transparante gezichtsschermen en elastische banden werden via traditionele kanalen ingekocht. Hoewel het printen van dergelijke materialen mogelijk is met 3D-printers, zijn ze doorgaans duur en kunnen ze alleen gemakkelijk worden verwerkt door geselecteerde industriële machines. Dit maakte grootschalige productie van die items onwerkbaar. Na verloop van tijd werden zelfs deze beperkte toepassingen uiteindelijk uitgesloten, omdat er meer kosteneffectieve oplossingen beschikbaar kwamen.

Dus was de impact van 3D-printen op de COVID-19-reactie een flits in de pan? Nauwelijks. Het is zelfs uitgegroeid tot een input achter de schermen voor meer kosteneffectieve productietechnologieën.

Zoals de PBM-reactie benadrukt, zijn 3D-printers goed in het snel herhalen van ontwerpconcepten en het in handen krijgen van tastbare, functionele producten. De initiële snelheid en lage opstartkosten maken 3D-printen ideaal voor functionele prototyping. Als het ontwerp eenmaal is vergrendeld, worden andere technologieën echter meestal betere opties. Hoewel de kosten van de eerste 3D-geprinte eenheden lager zijn dan die van een spuitgietgereedschap, zijn de tijd en variabele kosten per op zichzelf staande eenheid, zodra dat gereedschap eenmaal is gebouwd, erg laag, waardoor het 3D-printers kan inhalen als het hoog is hoeveelheden nodig. Uiteindelijk is de impact van 3D-printen op de bestrijding van COVID-19 ter ondersteuning van legacy-processen.

Een manier waarop de technologie dat doet, is door middel van tooling, het maken van aangepaste instrumenten om het productieproces te ondersteunen. De toepassingen van gereedschappen lopen sterk uiteen, van het op zijn plaats houden van een werkstuk tot het verzekeren van de juiste plaatsing van een esthetisch kenmerk. Gewoonlijk kunnen gereedschappen worden vervaardigd met gebruikmaking van gebruiksvriendelijke desktopprinters voor materiaalextrusie. Hoewel er een verscheidenheid aan gedrukte gereedschapstoepassingen is, was een van de meest bruikbare toepassingen in de COVID-19-reactie de creatie van 3D-geprinte inzetstukken voor spuitgietgereedschap. Het meest opvallend is dat dit in commerciële contexten wordt gedaan met 3D-printers voor poederbedfusie. Dergelijke systemen zijn in staat om zeer complexe metalen inzetstukken te bedrukken die in spuitgietmatrijzen kunnen worden gebruikt. Ze zijn ontworpen met ingebouwde conforme koelkanalen, die de stroom van een vloeibaar koelmiddel - gewoonlijk water - mogelijk maken om het hete metaal af te koelen dat de gegoten onderdelen actief comprimeert. Historisch gezien werden deze in rechte lijnen geboord. Maar met gedrukte tools kunnen de kanalen draaien en draaien op een manier die traditionele kanalen niet kunnen. Als gevolg hiervan koelen spuitgietmatrijzen die deze inzetstukken gebruiken sneller af, waardoor snellere cyclustijden en een hogere productie van onderdelen worden bereikt.

COVID-19 heeft 3D-printen in de schijnwerpers gezet. In staat om snel nieuwe ontwerpen en fabricageonderdelen te ontwikkelen om het PBM-tekort aan te pakken, bleek de techniek een waardevol en zeer flexibel onderdeel te zijn van vroege reactie-inspanningen. Toen voorkeursontwerpen werden goedgekeurd en vastgelegd, werd 3D-printen steeds meer overgeschakeld naar het ondersteunen van meer traditionele productieprocessen met gedrukte tooling. Zowel toen als nu heeft het een waardevolle rol gespeeld bij de productie van persoonlijke beschermingsmiddelen en de reactie op COVID-19.

Cullen Hilkene is oprichter en CEO van 3ijverig.