Innovatieve Toepassingen van Additive Manufacturing: High-Tech Industrieën Transformerend

Het gebruik van additive manufacturing softwarecomponenten groeit in high-tech industrieën. Volgens het marktonderzoeksbureau MarketsandMarkets (M&M), groeide de productie van 3D-printers en additive manufacturing-output in waarde naar $3,5 miljard in 2017. De vooroplopende adoptanten van additive manufacturing waren de medische apparatuur-, luchtvaart- en auto-industrie.

Dit is niet verrassend. In additive manufacturing is de kosten van het printen van een complexe vorm hetzelfde als een simpel ontwerp, met name in kleine hoeveelheden.

Medische Apparatuur & Chirurgie

De voordelen van additive manufacturing zijn een zegen voor de medische industrie. Door additive manufacturing te benutten, bouwt de medische industrie hoogst aangepaste implantaten voor tandheelkundige en orthopedische toepassingen. Aangezien additive manufacturing de kosten van tooling en opzet (vereist in subtractieve manufacturing) wegnemt, hoeven artsen zich geen zorgen te maken over schaalvoordelen bij het voorstellen van aangepaste implantaten en prothesen aan de patiënt.

Daarnaast heeft additive manufacturing fabrikanten ook in staat gesteld om zeer complexe en delicaten ontwerpen te produceren, zoals gewrichten ontworpen om te verbinden met menselijke botten. Om deze oplossingen te produceren, moeten 3D-printers minuut fractale roosterstructuren fabriceren waarin botweefsel kan fuseren, wat een sterke verbinding tussen het implantaat en bot biedt. Er is geen andere manier om dergelijke vormen te produceren.

Evenzo omvatten tandheelkundige implantaten en inserties zowel ongelooflijke customisatie als zeer complex ontwerp om een perfecte pasvorm te bereiken. Er is aanzienlijke precisie in het tandheelkundige implantaatproces. Eerst begint het met een röntgenfoto van je mond om je botten te onderzoeken. Tweede, de chirurg moet een gat boren voor het tandheelkundige implantaat. Echter, de chirurg moet garanderen dat het implantaat (zoals de schroef voor het implantaat) perfect uitgelijnd is met hoe je tanden gerangschikt zijn. Dankzij 3D-printen zijn tandartsen nu in staat om maatwerk implantaten te bevestigen. Deze implantaten en gerelateerde boorgidsen zijn aangepast ontworpen in gespecialiseerde 3D-print computer-aided design (CAD)-software en vervolgens geproduceerd met een hoge mate van automatisering.

Voor hersenchirurgie zullen artsen een aangepaste fixture bouwen na een CT-scan van hun patiënet. Net als in tandheelkunde en orthopedie, omvat dit het produceren van een implantaat dat precies past op de schedel van de patiënt en de tools van de chirurg tijdens de operatie gids.  Opnieuw, gespecialiseerde 3D-software automatiseerde het ontwerp van deze chirurgische hulpmiddelen.

Luchtvaart & Infrastructuur

Luchtvaart is een pionier geweest in het adopteren van additive manufacturing. Onlangs hebben de inspanningen geresulteerd in een 3D-geprint onderdeel voor gebruik op commerciële turbofan-motoren.

De LEAP turbofan-motor - een joint-venture van General Electric (GE) en Safran Aircraft Engines - is uitgerust met 3D-geprinte brandstofspruiters. De US Federal Aviation Administration keurde de spruiter goed voor gebruik aan boord van commerciële vliegtuigen in 2015. Niet alleen weegt dit onderdeel 25% minder dan zijn voorganger op oudere generatie motoren, maar volgens GE is het vijf keer duurzamer.

Naast het leveren van substantiële voordelen in brandstof-economie en koolstofemissiereductie op vliegtuigen uitgerust met LEAP-motoren, stroomlijnt het 3D-geprinte onderdeel ook de productietoeleveringsketen. 3D-printen maakte GE in staat om 20 verschillende onderdelen te vervangen met slechts één eenheid. Niet alleen vereenvoudigt dit het productieproces, maar het verlaagt ook de levenscyclus-onderhoudskosten.

Het gebruik van 3D CAD en computer-aided engineering (CAE) software is een essentieel onderdeel van de ontwerp- en ontwikkelingsinspanningen van de luchtvaartindustrie. GE benutte CAD/CAE om de benodigde ontwerpstudies, simulatie en analyses te ondernemen om de nieuwe spruiter te ontwikkelen en de haalbaarheid ervan te evalueren voordat men overging tot de prototyping-fase.  

Stel je de kostenbesparingen voor voor luchtvaartmaatschappijen die tientallen van deze vliegtuigen exploiteren, met name over een periode van 20-plus jaar. Dit zijn de directe voordelen van additive manufacturing, dus men kan zien hoe de groei ervan in het afhandelen van andere subassemblages en componenten de winsten voor fabrikanten, leveranciers en consumenten in een veelheid van andere gebieden zal uitbreiden.

Naast optimaliseren voor kostenreductie, heeft 3D-printen industrieën ook in staat gesteld om zeer complexe productie te ondernemen. Overweeg warmtewisselaars. Deze apparaten hebben een groot aantal buizen, lamellen en andere invoeren voor het lopen van warm vloeistof aan de ene kant en koud vloeistof door de andere. Maar het assemblageproces vereist het lassen van de koellamellen en het inbrengen ervan in een waterdichte doos. Het is een arbeidsintensief en tijdrovend productieproces met aanzienlijke marge voor fouten.

Maar met 3D-printen kan de warmtewisselaar in één geconsolideerde klap geproduceerd worden. Het kan een relatief lange periode duren om de ene eenheid te produceren, maar het eindresultaat is veel betrouwbaarder. Net als LEAP, is het doel om het aantal benodigde onderdelen voor assemblage te consolideren naast het toevoegen van significante prestatieverbeteringen.

De Toekomst van Additive Manufacturing

De technologieën betrokken bij additive manufacturing nemen in capaciteit toe en dalen in prijs. Bovendien worden er constant nieuwe additive manufacturing-toepassingen gevonden. Er zijn echter nog steeds grote obstakels in procescontrole en procesvoorspelbaarheid.

Wat procescontrole betreft, mist additive manufacturing industriebrede standaarden om het proces van het produceren van grondstoffen tot eindproducten te regelen. Traditionele productie - inclusief subtractieve productie - profiteren van deze standaarden (bijv. metallurgisch gedrag tijdens het bewerkingsproces, stempelen of smeden). Er zijn industrie-standaardreferenties voor ingenieurs om te raadplegen.

Echter, de industrie heeft die standaarden voor additive manufacturing nog niet gebouwd. Bijvoorbeeld, individuele luchtvaartbedrijven - zoals GE - bouwen proprietaire controle-regimes voor hun additive manufacturing-inspanningen, terwijl de individuele 3D-printleverancier volledig controle-regimes en industriestandaarden mist. Dit kan het beste opgelost worden door standaardisatielichamen gemeenschappelijke nalevingscertificeringen te ontwikkelen die beschikbaar zijn voor iedereen, met name kleinere fabrikanten.

Ten slotte is procesvoorspelbaarheid nog steeds een grote uitdaging voor diegenen die 3D-printers gebruiken. Het optimaliseren van de oriëntatie van het onderdeel, supportmateriaal en procesparameters vereist aanzienlijke proef-en-fout. Maar dit presenteert ook een massale kans voor diegenen die de softwaretools ontwikkelen die in 3D-printen gebruikt worden. Fysica-gebaseerde simulatie zou een grote stap vooruit zijn. Het combineren van dit simulatie-element met machine-specifieke procesinformatie van de 3D-printerfabrikanten zal fabricanten helpen hun fout- en schrotpercentages te verminderen.

Op zoek om de 3D-printmarkte te domineren met een snellere time-to-market, verhoogde marges en differentiatie? Dan verken Spatial's SDKs.