Hoe COVID-19 3D-printadoptie versnelt in diverse industrieën

In de loop van weken heeft de COVID-19-pandemie het leven over de hele wereld op z'n kop gezet, en de impact wordt erger met elke voorbijgaande dag. De snelheid en pervasiviteit van de verstoring is ongeëvenaard in moderne geschiedenis, aangezien hele economijen tot stilstand komen in een poging de verspreiding van het virus te bezigen. Samenlevingen zijn gedwongen om zich snel aan te passen aan de verstoring, in veel gevallen door te wenden naar technologieën die lang bekend zijn om hun eigen disruptieve potentieel.

In de toeleveringskete is additieve productie, ook bekend als 3D-printen, eindelijk aan de beurt gekomen.

Over industrieën heen zijn toeleveringsketens hard getroffenen door fabrieksdichtingen of beperkte productie. Echter, geen is meer gespannen dan de medische toeleveringskete, naarmate de vraag opschiet naar beschermende uitrusting zoals maskers en handschoenen, alsook naar kritische levensreddende apparatuur zoals ventilatoren. Ziekenhuizen zullen waarschijnlijk binnenkort overweldigd raken, met capaciteit en voorraden geduwd tot hun limieten. In het gezicht van deze ongekende uitdaging, is additieve producting ingesprongen om de kloof te vullen.

Toen leveranciers niet in staat waren om de opschietende vraag naar levensreddende ventilatorkleppen te halen, keerde een ziekenhuis in Brescia, een van de hardest getroffene regio's in Noord-Italië, zich tot additieve productie. In nauwe samenwerking met lokale bedrijven Issinova, Lonati SpA, en The FabLab, was het ziekenhuis in staat om het ventilatorklep-ontwerp te reverse-engineeren. Binnen zes uren printte het 3D nieuwe kleppen on-site, en redde levens.

In de weken sindsdien hebben 3D-printers over de hele wereld gebromd om ziekenhuizen te voorzien. Leveranciers zoals Formlabs en MatterHackers hebben online hubs opgezet om ziekenhuizen te verbinden met klanten bereid hun 3D-printers te delen. Bedrijven van SmileDirectClub tot Volkswagen hebben hun additieve productiemogelijkheden aangeboden om kritische beschermende uitrusting en ventilatoronderdelen te leveren. Tegenwoordig deelt een groeiende online community van makers CAD-ontwerpen en ideeën om te reageren op de pandemie.

Één van deze initiatieven die ik persoonlijk ondersteun is MasksOn, dat erop abzielt 50.000 herbruikbare en sanitizeerbare gezichtsmaskers te leveren voor clinici in high-risk settings. Het initiatief converteert full-face-snorkelmaskers in herbruikbare gezichtsschermen, door 3D-printen te gebruiken om medische-graden ademfilteradapters in massa te produceren. (Een volledige lijst van 3D-printcommunity-bronnen en projecten gewijd aan de COVID-19-pandemie kan hier worden gevonden.)

De reactie van de additieve-productiecommunity in deze crisis is inspirerend. Wat de pandemie onthuld heeft, is echter de onderliggende kwetsbaarheid van geglobaliseerde toeleveringsketens. Organisaties zijn gedwongen om hun afhankelijkheid van verre of overzeese leveranciers te heroverwegen.

Hoewel 3D-printen nog niet op schaal beschikbaar is om gelokaliseerde productie voor alles te ondersteunen, wijzen de vroege resultaten van de pandemiereactie op een veelbelovende toekomst. Kun de pandemie een katalysator zijn voor een wijdverspreide shift naar additieve productie in de toeleveringskete?

Hier is wat de toekomst kan inhouden:

On-demand, on-site, en just-in-time

Toeleveringsketenverstoringen zijn niet beperkt tot pandemieën. Natuurrampen, handelspolitiek, en arbeidsstakingen kunnen allemaal de stroom van voorraden onderbreken, wat kritische operaties vertraagt. Additieve productie kan de kloof vullen door onderdelen on-demand te printen en, zoals het Bresciaanse ziekenhuis toont, on-site. Daardoor kunnen operationele verstoringen verkort of geëlimineerd worden door overseas-productie en -verzending te omzeilen.

Overweeg een pijpleiding die breekt op een diepzee-olieplatform. Wachten op een vervangend onderdeel kan dagen duren, wat operaties op het platform idle zet en omzet op hold zet. Met een 3D-printer kunnen ingenieurs op het platform snel een patch-clamp ontwerpen en printen en terug aan het pompen gaan terwijl ze wachten op de leverancier om een lange-termijn-vervanging te sturen.

In Brescia keren de makers die de ventilatorkleppen voor additieve productie reverse-engineerden, nu een potentiële rechtszaak tegemoet van de oorspronkelijke leverancier van ventilatorkleppen van het ziekenhuis over octrooininfringement. Om intellectuele-eigendomgeschillen in de toekomst te mitigeren, zouden fabricanten hun ontwerpen kunnen licentiëren aan hun klanten, zodat ze vervangende onderdelen lokaal kunnen printen om onvoorziene gaten in het aanbod te vullen. Dit zou omgekeerd besparingen drijven voor de fabrikant, aangezien ze hun productiekosten 'uitbesteden' aan de klant.

Non-expert ontwerp

Zoals de 3D-geprinte ventilatorkleppen in Brescia illustreerden, is het mogelijk voor ingenieurs met weinig tot geen ervaring in het ontwerpen van een specifiek onderdeel, snel een functioneel ontwerp te engineeren en te creëren met additieve productie. In tegenstelling tot andere fabricagetechnieken, betekent de flexibiliteit van additieve productie dat ingenieurs en ontwerpers geen jaren ervaring nodig hebben om hun ontwerpen af te stemmen op de constraints van produceerbaarheid.

Additieve's empowerment van onervaren ontwerpers zal verder genomen worden door generatief ontwerp, ook bekend als AI-geassisteerd ontwerp. Vandaag de dag kan software automatisch optimaliseren voor verschillende productietechnieken, wat de tijd tussen ontwerp en productie verkort. Ontwerpen optimaliseren voor additieve productie zal met name waardevol zijn niet alleen voor de supply-chain-implicaties, maar ook omdat het betere ontwerpen kan ontgrendelen.

Generatieve AI draait duizenden simulaties om de beste en meest efficiënte ontwerpen te vinden die aan alle doelen en constraints van de ontwerper voldoen, optimaliserend voor dingen zoals gewicht, sterkte, thermische eigenschappen, en vloeistof-dynamica. In de meeste gevallen omvatten de resultaten complexe, organische geometrieën, in tegenstelling tot de rigide rechte lijnen en polyhedra waar menselijke ontwerpers naartoe neigen. Zoals het blijkt, kunnen deze organische, irreguliere vormen het meest effectief worden gecreëerd door additieve productie.

Onderdeelconsolidatie

Een ander voordeel van generatief ontwerp is de mogelijkheid om ontwerpen van assemblies die bestaan uit meerdere componenten, te consolideren, die vervolgens met additieve productie geprint kunnen worden. In plaats van een gedistribueerde toeleveringskete voor onderdelen en in-house assembleren, kan de gehele assembly on-site geprint worden.

Onderdeelconsolidatie kan significante besparingen drijven voor fabrikanten. In tegenstelling tot subtractieve productie, gebruikt additieve productie alleen het materiaal dat nodig is voor het ontwerp, wat afval en materialenkosten vermindert. De verzendkosten van onderdelen worden ook geëlimineerd, en assemblager kosten verminderen, omdat er minder onderdelen te assembleren zijn.

De consolidatie van complexe assemblies zou met name waardevol kunnen zijn voor sommige kritische levensreddende apparatuur die in korte voorraad zal zijn tijdens de pandemie. Er zijn al ingenieurs aan het werk aan nieuwe ontwerpen om de opschietende vraag te beantwoorden. De CoVent-19 Challenge crowdsourct inspanningen om innovatieve, snel inzetbare ventilatoren te ontwikkelen om de capaciteit van ziekenhuizen te vergroten om de vloed van patiënten die worstelen met ademen te managen.

Jesse Coors-Blankenship is senior vice president of advanced development bij PTC.