Innovatie ontgrendelen: De belangrijkste voordelen van 3D-printen in moderne productie

Inleiding

3D-printen creëert onderdelen door objecten laag voor laag op te bouwen. Deze methode biedt veel voordelen ten opzichte van traditionele productietechnieken (bijvoorbeeld CNC-bewerking), de belangrijkste die voor de industrie als geheel gelden, worden in dit artikel behandeld.

3D-printen zal waarschijnlijk veel traditionele productiemethoden niet vervangen, maar er zijn veel toepassingen waar een 3D-printer een ontwerp snel, met hoge nauwkeurigheid uit een functioneel materiaal kan leveren.

Het begrijpen van de voordelen van 3D-printen stelt ontwerpers in staat om betere beslissingen te nemen bij het selecteren van een productieproces en stelt hen in staat om een optimale product te leveren.

Leer de basisprincipes van 3D-printen: Download onze 3D-printgids

Snelheid

Een van de belangrijkste voordelen van additieve productie is de snelheid waarmee onderdelen geproduceerd kunnen worden vergeleken met traditionele productiemethoden. Complexe ontwerpen kunnen vanuit een CAD-model geüpload en in een paar uur geprint worden. Het voordeel hiervan is de snelle verificatie en ontwikkeling van ontwerpideeën.

Waar in het verleden het dagen of zelfs weken kon duren om een prototype te ontvangen, plaatst additieve productie een model in handen van de ontwerper binnen een paar uur. Hoewel meer industriële additieve productiemachines langer duren om een onderdeel te printen en na te bewerken, biedt de mogelijkheid om functionele eindonderdelen bij lage tot middelbare volumes te produceren een enorme tijdsvoordeel vergeleken met traditionele productietechnieken (vaak kan de levertijd van een injectiegietmalleen al weken duren).

Enkelvoudige productie

Een van de grootste zorgen voor een ontwerper is hoe een onderdeel zo efficiënt mogelijk geproduceerd kan worden. Die meeste onderdelen vereisen een groot aantal productiestappen om geproduceerd te worden door traditionele technologieën. De volgorde waarin deze stappen plaatsvinden beïnvloedt de kwaliteit en produceerbaarheid van het ontwerp.

Overweeg een aangepaste staalbeugel die via traditionele productiemethoden gemaakt wordt:

Net als bij additieve productie begint het proces met een CAD-model. Zodra het ontwerp gefinaliseerd is, begint de fabricage met het snijden van de staalprofielen op maat. De profielen worden vervolgens in positie geklemd en één voor één samengeweest om de beugel te vormen. Soms moet een aangepaste hulp gemaakt worden om ervoor te zorgen dat alle componenten correct uitgelijnd zijn. De lassen worden vervolgens gepolijst om een goed oppervlak te geven. Vervolgens worden gaten geboord zodat de beugel aan de muur bevestigd kan worden. Ten slotte wordt de beugel gestraald, geprimerd en geverfd om het uiterlijk te verbeteren.

Verhoog je 3D-printontwerpkennis: Krijg een gratis 3D-print ontwerp regels poster

Additieve productiemachines voltooien een build in één stap, zonder interactie van de machineoperator tijdens de build-fase. Zodra het CAD-ontwerp gefinaliseerd is, kan het naar de machine geüpload en in één stap in een paar uur geprint worden.

De mogelijkheid om een onderdeel in één stap te produceren vermindert de afhankelijkheid van verschillende productieprocessen (bewerken, lassen, schilderen) en geeft de ontwerper meer controle over het eindproduct.

Kosten

De productiekosten kunnen opgesplitst worden in 3 categorieën: machinebedrijfskosten, materiaalkosten en arbeidskosten.

Machinebedrijfskosten:
De meeste desktop 3D-printers gebruiken evenveel stroom als een laptop. Industriële additieve productietechnologieën consumeren veel energie om een enkel onderdeel te produceren. Echter, de mogelijkheid om complexe geometrieën in één stap te produceren resulteert in hogere efficiëntie en doorlooptijd. Machinebedrijfskosten zijn doorgaans de laagste bijdrage aan de totale productiekosten.

Materiaalkosten:
De materiaalkosten voor additieve productie variëren aanzienlijk per technologie. Desktop FDM-printers gebruiken filamentspoelen die ongeveer $25 per kg kosten, terwijl SLA-printen hars vereist die rond de $150 per liter kost. De reeks beschikbare materialen voor additieve productie maakt een kwantitatieve vergelijking met traditionele productie moeilijk. Nylonpoeder voor SLS kost ongeveer $70 per kg, terwijl vergelijkbare nylonkorrels voor injectiegieten voor zo min als $2 - $5 per kg gekocht kunnen worden. Materiaalkosten zijn de grootste bijdrage aan de kosten van een onderdeel gemaakt via additieve productie.

Arbeidskosten:
Een van de belangrijkste voordelen van 3D-printen is de lage arbeidskosten. Na bewerking apart gelaten, vereisen de meeste 3D-printers alleen een operator om op een knop te drukken. De machine volgt dan een volledig geautomatiseerd proces om het onderdeel te produceren. Vergeleken met traditionele productie, waar hooggeschoolde werktuigmakers en operators doorgaans vereist zijn, zijn de arbeidskosten voor een 3D-printer bijna nul.

Additieve productie bij lage volumes is zeer competitief geprijsd vergeleken met traditionele productie. Voor de productie van prototypes die vorm en pasvorm verifiëren, is het aanzienlijk goedkoper dan andere alternatieve productiemethoden (bijv. injectiegieten) en vaak competitief voor het produceren van eenmalige functionele onderdelen. Traditionele productietechnieken worden kosteneffectiever naarmate het volume toeneemt en de hoge opstartkosten gerechtvaardigd worden door de grote productievolumes.

Benieuwd naar de kosten van 3D-printen? Vraag een direct aanbod: 3D-printen in kunststof, 3D-printen in metaal

Risicomitatie

Een foutief prototype bestellen kost de ontwerper tijd en geld.zelfs kleine veranderingen in een mal of fabricagemethode kunnen een grote financiële impact hebben.

In staat te zijn om een ontwerp te verifiëren door een productieklaar prototype te printen voordat je investeert in dure productieapparatuur (bijv. malen of hulpmiddelen en jigs) elimineert het risico tijdens het prototyperingsproces. Dit helpt bij het opbouwen van vertrouwen in je ontwerp voordat je de grote investeringen doet die vereist zijn voor massaproductie.

Complexiteit en ontwerpvrijheid

De beperkingen die traditionele productie oplegt aan wat gemaakt kan worden, zijn doorgaans niet relevant voor additieve productie. Aangezien componenten laag voor laag geconstrueerd worden, gelden ontwerpvereisten zoals trekhoeken, ondergraten en gereedschapstoegang niet bij het ontwerpen van onderdelen voor 3D-printen.

Hoewel er enkele beperkingen zijn op de minimale grootte van kenmerken die nauwkeurig geprint kunnen worden, richten de meeste beperkingen van additieve productie zich op hoe een print optimaal georiënteerd kan worden om afhankelijkheid van ondersteuning en de kans op printfouten te verminderen. Dit geeft ontwerpers een grote mate van ontwerpvrijheid en maakt het eenvoudige creëren van zeer complexe geometrieën mogelijk.

Customisatie

Niet alleen staat 3D-printen meer ontwerpvrijheid toe, het stelt ook volledige customisatie van ontwerpen mogelijk. Aangezien de huidige additieve productietechnologieën uitblinken in het bouwen van enkele onderdelen tegelijk, zijn ze perfect geschikt voor eenmalige productie.

Dit concept is omarmd door de medische en tandheelkundige industrie voor de productie van aangepaste prothesen, implantaten en tandhulpmiddelen. Van sportuitrusting op hoog niveau die perfect past op een atleet tot aangepaste zonnebrillen en modeaccessoires, additieve productie stelt kosteneffectieve eenmalige productie van aangepaste onderdelen mogelijk.

Krijg een diepgaand begrip van de huidige staat van de 3D-printmarkt: Download het 3D-print trendrapport 2020

Gemak van toegang

Hoewel additieve productie al meer dan 30 jaar bestaat, heeft de meeste groei plaatsgevonden sinds 2010. Dit heeft geleid tot een groot aantal 3D-printers dat de industrie binnenkwam, waardoor het aanzienlijk makkelijker werd voor ontwerpers om toegang te krijgen tot additieve productietechnologie.

In 2015 alleen werden wereldwijd meer dan 278.000 additieve productieprinters met een waarde onder $5000 verkocht. Het aantal verkochte printers verdubbelde consistent sinds dien. Wat oorspronkelijk een nischtechnologie was die alleen toegankelijk was voor een klein segment van de productieindustrie, is nu gemakkelijk beschikbaar en een kosteneffectieve methode van onderdeelproductie die wordt gebruikt door een breed scala aan industrieën.

Duurzaamheid

Aftrekende productiemethoden, zoals CNC-frezen of draaien, verwijderen een significant hoeveelheid materiaal van een initiële blok, wat resulteert in grote volumes afvalmateriaal.

Additieve productiemethoden gebruiken doorgaans alleen het materiaal dat nodig is om een onderdeel te bouwen. De meeste processen gebruiken grondstoffen die gerecycld en hergebruikt kunnen worden in meer dan één build. Als resultaat produceert het additieve productieproces heel weinig afval.

De toename van het aantal additieve productiemachines in de wereld heeft ook de afstand beïnvloed die prototypes worden verzonden:

Omdat tafel 3D-printers een relatief kleine leercurve hebben om succesvol te bedienen, hoeven ontwerpen niet naar een expert verstuurd te worden om geproduceerd te worden. Bovendien is de voetafdruk van een industriële additieve productiesysteem veel kleiner dan die van een traditionele productielocatie.

Om deze reden worden professionele 3D-printdiensten over de hele wereld gecreëerd, zelfs in locaties waar de grondkosten hoog zijn (bijvoorbeeld in Londen of New York). De vermindering in verzendeisen heeft een positieve milieueffect. Dit, gecombineerd met de mogelijkheid om reserveonderdelen op locatie te printen en produceren, resulteert in een veel kleinere koolstofvoetafdruk voor de meeste onderdelen geproduceerd via additieve productie.

Wil je meer leren over 3D-printen? Krijg een sample van het 3D-print handboek