De top 10 additieve productie-uitdagingen voor productie in 2020 overwinnen - Experts inzichten

Geüpdatet in 2020

Ontwerpvrijheid, materiaalefficiëntie en laag-volume productie maken additieve productie (AM) een aantrekkelijke optie voor veel bedrijven. Toch, om AM volledig te benutten in een productieomgeving, moeten diverse obstakels worden aangepakt.

Technologische uitdagingen

1. Trage productiesnelheden

Snelheid blijft een kritieke factor, met name voor hoog-volume industrieën als auto en consumentengoederen. Traditionele 3D-printers lopen vaak achter conventionele productie in doorvoering.

"Het eindonderdeel is de doorvoering of de snelheid van de machines. [Auto] productievolumes zijn aanzienlijk anders dan de volumes van luchtvaart of medisch. Dus we moeten kijken naar systemen die in staat zijn onderdelen in minuten of seconden te produceren tegenover dagen en uren. Alles wat we kunnen doen om de technologie in snellere buildsnelheden te duwen, is zeker wat ons zal helpen."

Harold Sears, Technical Leader of Additive Manufacturing Technologies bij Ford

Fabrikanten investeren zwaar in hoge-snelheidsoplossingen. EOS ontwikkelt bijvoorbeeld Laser Pro Fusion, dat tot 1 miljoen diodelasers in een enkel SLS-systeem zal gebruiken, wat buildtijden dramatisch kan verkorten. In metaalprinten stelt Aurora Labs' Multilevel Concurrent Printing (MCP™) gelijktijdige depositie van meerdere lagen toe - 30 lagen in een enkele pas, met een doel van 100 lagen volgend jaar. Hun PMP1-printer heeft 350 kg/dag bereikt, een 2000% snelheidsverbetering ten opzichte van vorig jaar.

Hoewel deze technologieën nog in ontwikkeling zijn, suggereert de traject dat AM productiesnelheidseisen in de nabije toekomst zal halen.

2. Materiaalontwikkeling en inconsistenties

"De additieve productie-industrie heeft zeker oplossingen voor meer materialen nodig. 3D-printen is theoretisch in staat om onderdelen van hoge complexiteit en functionaliteit te produceren, of het nu mechanisch, biologisch, elektrisch is. Maar dat laten gebeuren komt neer op het hebben van voldoende materiaalopties."

Simon Fried, Co-founder van Nano Dimension

AM heeft significante sprongen gemaakt in polymeren en composieten. Grote chemische bedrijven - Arkema, BASF, DuPont - ontwikkelen koolstof-versterkte polymeren die metaalkracht evenaren. Markforged introduceerde Onyx FR, het eerste vlamvertragende composiet voor AM. Metaal-feedstocks zien ook vooruitgang, hoewel de cyclus langer is. Ondanks de groei, mist de industrie nog een uitgebreide materiaaldatabase, wat leidt tot inconsistente eigenschappen en moeilijke herhaalbaarheid.

Standaardiseringsorganisaties als ISO en ASTM stellen specificaties op voor metaalpoeders (nikkel, titanium, roestvrij staal), en collaboraties zoals America Makes met Stratasys en NIAR hebben een ULTEM 9085-database voor FDM geproduceerd. Deze inspanningen zullen bedrijven helpen materialen betrouwbaar te sourcen en te kwalificeren.

3. Handmatige post-processing

Terwijl prototyping handmatige afwerking kan tolereren, eist productie automatisering. Metaal AM-onderdelen vereisen poederverwijdering, stress-verlichting warmtebehandelingen, supportverwijdering, CNC-bewerking en soms hot-isostatische pressing om porositeit te elimineren.

"Bij metaal AM zijn veel stappen betrokken om kwaliteit te garanderen. Dit omvat het goed verwijderen van het poeder en het doorlopen van een stress-relief verhittingscyclus zodat de onderdelen niet vervormen en vervormen door de residuele warmtespanning die in de onderdelen zit wanneer ze van de buildplate worden verwijderd. Vaak is veel tijd nodig om de supportstructuren weg te snij en af te slijpen. Andere stappen omvatten CNC-bewerking en andere afwerkingen, alsook hot isostatische pressing, wat helpt te garanderen dat het onderdeel geen porositeit bevat."

Terry Wohlers, Founder and President van Wohlers Associates

Geautomatiseerde post-processing-oplossingen duiken op - DyeMansion's reinigingsrigs, AMT's oppervlakte gladstrijkingssystemen, en PostProcess Technologies' support-verwijderingseenheden. In metaal toont Digital Metal's volledig geautomatiseerde productielijn hoe robotica buildboxen, post-processing en deelafhandeling kan aanpakken, wat handmatige arbeid elimineert.

Hoewel de vooruitgang incrementieel is, is de uitbreiding van geautomatiseerde workflows essentieel voor hoog-volume AM-productie.

Software-uitdagingen

4. Beperkte datavoorbereidingscapaciteiten

"Ontwerp en datavoorbereiding zijn nog steeds een knelpunt in deze industrie terwijl de nadruk ligt op hogere productiviteit hardwaresystemen, met intelligente softwareoplossingen die uit deze vergelijking worden uitgesloten."

Yves Hagedorn, Managing Director bij Aconity3D

Traditionele CAD-tools zijn niet ontworpen voor AM's unieke eisen - gegraadeerde materialen, roosterstructuren, porositeitsmodellering. Ontwerpers exporteren vaak naar STL, importeren in Netfabb, en sturen daarna naar de machine, wat datasilos en fouten creëert.

"We horen van veel van onze klanten dat ze werken met heel losgekoppelde workflows. Ze doen het ontwerpproces in een CAD-tool, vertalen dat dan naar een STL-bestand en importeren het in een build-processor, zoals Netfabb. Daarvandaan wordt het naar de machine gestuurd en de machine verzamelt data daarover. Dus u eindigt met deze silos van data die niet goed verbonden zijn."

Robert Yancey, Director of Manufacturing and Production Industry Strategy bij Autodesk

Leidende CAD-leveranciers integreren AM-functies - PTC's Creo 6.0 ondersteunt nu ontwerp en printvoorbereiding in één omgeving, en heeft generatief-ontwerpfirma Frustum overgenomen. Stratasys' GrabCAD en 3D Systems' 3DXpert stroomlijnen ook dataconversie. Het doel is om ontwerpers te laten itereren binnen het CAD-systeem zonder lastige bestandsuitwisselingen.

Kwaliteitsborgingsuitdagingen

5. Deel-tot-deel variatie

"Een ander groot ding dat de industrie moet adresseren om breder geaccepteerd te worden is de deel-tot-deel variatie [...] De reden daarvoor is dat de consistentie van het materiaal dat uit het systeem komt, niet noodzakelijk is wat u wilt. U moet ontwerpen voor het zwakste deel dat u krijgt, wat betekent dat u niet volledig benut wat AM capable is."

Zachary Murphree, VP of Technology Partnerships bij VELO3D

Variaties voortkomen uit materialenchemie - deeltjesgrootte, vorm, contaminatie - en uit procescontrol. Gesloten-lus controlsystemen, met ingesloten sensoren en camera's, kunnen afwijkingen in real-time detecteren en parameters aanpassen, wat defecten als poederinbeslagname, microkraken of gebrek aan fusie vermindert.

"Ik denk dat dat de Heilige Graal is voor AM want met in-process control bent u in staat om bijna direct te reageren op tekortkomingen in uw proces."

Yves Hagedorn, Managing Director bij Aconity3D

Momenteel heeft slechts een klein percentage printers gesloten-lus control, maar de trend groeit naarmate AM in productieomgevingen beweegt.

6. Gebrek aan industrie-brede standaarden

"Het zou ongelooflijk gunstig zijn voor alle stakeholders en constituenten als de industrie betere standaarden had, standaarden die universeel begrepen en geaccepteerd worden. Met standaarden kunnen bedrijven appels met appels vergelijken en intelligente beslissingen nemen die geïmplementeerd kunnen worden binnen een uitgebreid ecosysteem van leveranciers, fabrikanten en gebruikers."

Avi Reichental, Founder van XponentialWorks

Standaarden zijn essentieel voor het garanderen van materiaal-, proces- en productkwaliteit. ISO en ASTM hebben al 28 AM-standaarden uitgegeven per 2018, met nog veel meer gepland voor vrijgave. Collaboratieve inspanningen - zoals het Oerlikon-Boeing partnership voor titanium-onderdelen en ASTM's Additive Manufacturing Center of Excellence - versnellen standaardisatie over ontwerp, feedstock, proces, post-processing, testen en kwalificatie.

Workforce-uitdagingen

7. Gebrek aan begrip en expertise

"[De] workforce-element is echt cruciaal nu. Er zijn niet genoeg ingenieurs, managers, executives die de technologie goed genoeg begrijpen om ermee te werken en een strategie te ontwikkelen om wat ze nodig hebben eruit te halen."

John Barnes, Founder van The Barnes Group Advisors

De kennisgap overbruggen is vitaal. Veel bedrijven bieden nu trainingsprogramma's, online cursussen en excellencecentra om ingenieurs op te scholen. Consultancybureaus en industrieconferenties verspreiden ook best practices. De sleutel is om de juiste technologie aan de juiste toepassing te koppelen, de valkuil vermijdend om traditionele ontwerpen op AM-processen te forceren.

Financiële uitdagingen

8. De initiële investering maken

AM adopteren omvat meer dan printers kopen; het vereist software, materialen, training, post-processing apparatuur, certificering en faciliteitsupgrades. De voorafgaande kosten kunnen ontberend zijn.

"De kosten van apparatuur moeten omlaag komen om de technologie voor bredere markten te ontgrendelen."

Armin Wiedenegger, Strategy & Business Development for Additive Manufacturing bij voestalpine High Performance Metals GmbH

Economische entry-level systemen duiken op. Markforged's composietprinter kost rond $15.000 en leverde terugverdientijd binnen zes maanden voor Dunlop Systems, wat £40.000 per jaar bespaarde. Metaalprinters van Desktop Metal, Markforged en Xact Metal variëren tot $150.000, een fractie van grootschalige systemen. Een business case bouwen om snelle winsten - kostenreductie, leertijdverkorting, gewichtsbesparing - kan investering aantrekken en ROI demonstreren.

Workflow- en integratieuitdagingen

9. Gesplitst AM-ecosysteem

"Het hele AM-ecosysteem is gefragmenteerd: er zijn veel kleine oplossingen en bedrijven die u moet samenknopen om een workflow en end-to-end oplossing te creëren."

Dave Conover, Chief Technologist of Additive Manufacturing bij Ansys

Integratie over ontwerp, build, post-processing en toeleveringsketen is essentieel voor schaalbaarheid. Partnerships - zoals RIZE en Dassault Systèmes' SOLIDWORKS-integratie, en Henkel's full-value-chain-aanbod (custom materialen, Loctite-printers, printdiensten) - vereenvoudigen workflows. Consolidatie door ecosysteemcollaboratie versnelt adoptie.

10. Gebrek aan digitale infrastructuur

Efficiënte AM-productie vereist een digitale ruggengraat afgestemd op unieke workflows. Traditionele manufacturing IT-oplossingen komen vaak tekort. Toegewezen AM-workflowbeheersoftware volgt verzoeken, printbaarheid, machine-analytics, scheduling, post-processing en leverancierscommunicatie.

Een gecentraliseerd systeem biedt traceerbaarheid, productieplanning en datasynchronisatie, wat naadloze integratie in een digitale productieomgeving mogelijk maakt.

De evoluerende industrie

Afgelopen decennium heeft AM zich ontwikkeld van een prototyping-tool naar een levensvatbare productietechnologie. Innovaties in snelheid, materiaalwetenschap, automatisering, standaarden en workforce-ontwikkeling drijven deze shift. Naarmate bedrijven samenwerken, standaardiseren en strategisch investeren, zal additieve productie blijven rijpen en uitbreiden over sectoren.

Lees onze vorige Expert Roundup over de toekomst van industriële 3D-printen voor meer inzichten.