De zaak voor 3D-printen in de productie

Er is de afgelopen jaren een enorme hype geweest rond additive manufacturing (en 3D-printen). Maar is de technologie echt haalbaar voor alle fabrikanten? Het hangt ervan af.

Van lichaamsdelen tot huizen, 3D-printen, ook wel bekend als additief in de productiesector, is snel geëvolueerd van een waardige tech-rage voor consumenten naar een levensvatbare, toegankelijke manier om dingen te bouwen, zoals medische implantaten, auto- en luchtvaartonderdelen, en plastic prototypes voor industrieel ontwerpers.

Wat is additive manufacturing precies? De MIT Technology Review beschrijft het als de industriële versie van 3D-printen waarbij een machine "een object bouwt door één voor één ultradunne materiaallagen toe te voegen". In plaats van traditioneel bewerkingswerk waarbij elementen van bestaand materiaal worden afgetrokken of verwijderd (zoals bij conventionele metaalbewerking, frezen en CNC-bewerkingen), wordt additieve fabricage vanaf de grond opgebouwd.

Wat zijn de voordelen van additive manufacturing? Het biedt bedrijven ruimere mogelijkheden om te innoveren en de productie op maat af te stemmen op interne gereedschappen en de behoeften van klanten aan onderdelen en materialen - en om de kosten te verlagen door "de hoeveelheid materiaal die verloren gaat tijdens de fabricage te verminderen, het productrendement te verbeteren en/of de arbeidsinput te verminderen", aldus aan Deloitte University Press in een artikel over 3D-toepassingen voor tooling.

3D-printen:adoptie van additieve productie neemt toe

Volgens een onderzoek van PwC en The Manufacturing Institute heeft ongeveer tweederde van de fabrikanten de technologie al in een of andere vorm geadopteerd, en meer dan de helft gebruikt het al voor prototyping - een aanzienlijke sprong ten opzichte van slechts twee jaar eerder, met 35 procent van fabrikanten die de technologie uitproberen.

En zoals het onderzoek verder suggereert, gaan fabrikanten ervan uit dat de snelle groei van additieven alleen maar sneller zal gaan. Meer dan de helft van de fabrikanten verwacht dat additive manufacturing binnen de komende vijf jaar zal worden gebruikt voor grootschalige productie, vergeleken met slechts 38 procent slechts twee jaar geleden.

De markt voor additive manufacturing van metalen ondersteunt deze bevindingen. Volgens het onderzoek "Additive Manufacturing with Metal Powders 2017" van SmarTech Publishing bedroeg de markt voor additive manufacturing-systemen en metaalpoedermaterialen in 2016 meer dan $ 950 miljoen - en zal naar verwachting groeien tot $ 6,6 miljard in 2026.

3D-printen, additieve productie-uitdagingen:tijd en kosten

Ondanks de enorme hype rond additive manufacturing, zijn er enkele beperkingen om te begrijpen. Ten eerste kan additieve productie traag zijn om te produceren. Het soort volume dat u behaalt met CNC-bewerking in metalen is geen vergelijking tussen appels en appels.

"Voor metalen is het een ander probleem", zegt Gordon Styles, oprichter en president van Star Rapid, in een interview met Engineering.com. “Het heeft geen zin om iets te 3D-printen dat is ontworpen voor CNC-bewerking; het printen gaat natuurlijk een stuk langzamer omdat de printtijd in verhouding staat tot de hoeveelheid materiaal. De meeste metalen onderdelen die voor CNC zijn ontworpen, zijn volumineus en doen er daarom lang over op een 3D-printer.”

Verschillende bedrijven werken eraan om het proces te versnellen, merkt Styles op. Maar die verbeterde technologie zal voor bedrijven een andere grote uitdaging met zich meebrengen:de kosten. Additieve productie kan prijzig zijn, dus het is belangrijk om alle 'kostenhefbomen' te begrijpen, vindt Jason T. Ray, een adviseur voor geavanceerde industriële strategie voor productie.

"Vanwege de nieuwigheid van AM [additive manufacturing] en de hoge initiële investeringskosten die nodig zijn om de machines te kopen, veranderen de use-cases vaak in een hamer op zoek naar spijkers, in plaats van een kosten-batengedreven proces", merkt Ray op in het artikel " Berekening van de kosten van additieve productie "voor Disruptive magazine. "Wanneer dit gebeurt, wordt de nadruk op herontwerp verminderd en produceren bedrijven uiteindelijk componenten die oorspronkelijk zijn ontworpen voor traditionele productiemethoden en dus slechts een fractie van de eindgebruiksvoordelen van AM benutten."

Maar zoals een rapport van de Universiteit van Nottingham ontdekte, is dat misschien niet voor altijd het geval. Hun theorie:naarmate machinetechnologie geavanceerder wordt, worden de economische argumenten voor het toepassen van additieven in de productie haalbaarder. Zolang de machines hetzelfde blijven, zullen de kosten echter hoog blijven.

"Hoewel we vandaag beperkt zijn, zullen we over 10 jaar honderden beschikbare materialen zien", vertelde Styles aan Engineering.com. “Het probleem is niet echt de beschikbaarheid van materialen, het is de tijd en moeite die nodig is om van materiaal te wisselen. Tegenwoordig duurt het ongeveer 24 uur om een ​​machine om te draaien voor een nieuw materiaal.”

Er zijn echter enkele gevallen waarin CNC-bewerking duurder kan zijn dan additieve fabricage. Maar er is maar één trefzekere manier om erachter te komen.

"De beste manier is om gewoon een offerte voor de twee processen te krijgen van uw leverancier van rapid prototyping-services", legt Styles uit. "Een vuistregel is echter deze:als het onderdeel CNC-gefreesd kan worden, dan is het waarschijnlijk goedkoper om het te CNC-bewerken - en in 90 procent van de gevallen is dit waar."

Als klap op de vuurpijl benadrukt Styles ook het feit dat sommige additieve materialen mogelijk nog meer werk nodig hebben van CNC-bewerking, waaronder het verwijderen van steunen. En wat meer is, hitte vormt waarschijnlijk het grootste probleem van allemaal, en dreigt, letterlijk, producten uit elkaar te scheuren.

3D-printen in fabrieken:plastic, onderdelen, gereedschap, hybride

Afgezien van de uitdagingen, kan additieve fabricage bij het maken van prototypes in plastic enkele grote voordelen hebben. Bij CNC-bewerking voor prototyping met kunststof ligt het probleem bij de cilindrische frezen, die het moeilijk maken om de interne vierkante hoeken te bewerken die gebruikelijk zijn in dit soort ontwerpen. Met 3D-printen zijn de mogelijkheden voor maatwerk - en vallen en opstaan ​​bij het maken van prototypes - logisch voor product-, onderdeel- en gereedschapsontwerpers.

Additive manufacturing is "ideaal voor lage volumes die een snelle doorlooptijd nodig hebben en profiteren van besparingen in setup, tooling up en vergelijkbare voorbereidingstijden, hoewel de werkelijke per deeltijd veel hoger kan zijn dan bij een puur subtractief proces", vindt Bob Warfield, CEO en oprichter van CNC Cookbook, in een artikel over hybride bewerking (waar additieve en subtractieve processen naast elkaar bestaan).

De additieve productiekoffer voor onderdelen en gereedschappen

De praktijkvoorbeelden van additive manufacturing verdienen aandacht. Verschillende van de grote industriële fabrikanten profiteren ten volle van het potentieel van additieven. Hier zijn enkele voorbeelden van grote industriële spelers.

GE verwacht op verschillende manieren geld te besparen op de 25.000 brandstofsproeiers voor LEAP-straalmotoren die het jaarlijks produceert. Ten eerste gebruiken additieve technieken minder materiaal tijdens de productie. Conventionele technieken vereisten dat 20 onderdelen minutieus moesten worden gelast - en ze produceerden een ton afgedankt, verspild materiaal, merkt MIT Technology Review op.

"[T]de beslissing om een ​​essentieel onderdeel van een metaallegering in massaproductie te nemen voor gebruik in duizenden straalmotoren is een belangrijke mijlpaal voor de technologie", schrijft Martin LaMonica van MIT Technology Review. "En hoewel 3D-printen voor consumenten en kleine ondernemers veel publiciteit heeft gekregen, is het in de productie waar de technologie de grootste commerciële impact kan hebben."

Het additieve proces hier maakt gebruik van hybride metaalpoeders die met laser worden gespoten om het onderdeel lichter te maken, wat leidt tot brandstofbesparing voor luchtvaartmaatschappijen. Het proces is goedkoper om te produceren voor de fabrikant - en het nieuwe onderdeel verlaagt de kosten voor de klant, wat resulteert in een echte win-winsituatie.

In tooling maakt Deloitte een overtuigend pleidooi voor het gebruik van additieven - met voorbeelden uit de praktijk waar snelle prototyping via additieve processen de doorlooptijden voor gietstukken en voor de fabricage van interne gereedschappen aanzienlijk heeft verkort. Deloitte beschrijft hoe Ford Motor Company in belangrijke mate gebruik heeft gemaakt van additieven voor zijn EcoBoost-motoren, rotorsteunen, transmissiedeksels en remrotors voor de Ford Explorer.

"Het bedrijf gebruikt AM om snel de zandvormen en kernen te maken die worden gebruikt voor het gieten van prototypeonderdelen", merkt Deloitte op. "Dit heeft Ford geholpen de doorlooptijd met wel vier maanden te verkorten en heeft het bedrijf miljoenen dollars bespaard."

De zaak voor hybride bewerking:additief en subtractief

Over hybride gesproken, makers van hulpmiddelen voor additieve productie zijn begonnen hybride machines te ontwikkelen met zowel additieve als subtractieve mogelijkheden - en ze zijn een lust voor het oog. Deze "hybride" machines combineren de geometrische vrijheid van 3D-printen met de precieze aard van CNC-bewerking.

"Stel je een geval voor waarin je extreem lage volumes van extreem geavanceerde onderdelen moet maken, bijvoorbeeld vervangende onderdelen voor turbines in een onderhoudsfaciliteit", schrijft Warfield. "Een [hybride] machine als deze is misschien wel ideaal."

Met veel van deze nieuwe tools zijn fabrikanten echter beperkt tot het produceren van afzonderlijke onderdelen en kunnen ze vaak niet rechtstreeks uit digitale bestanden produceren - iets wat ze zouden kunnen bereiken met uitsluitend additieve strategieën.

"Je moet 3D-printen van metaal beschouwen als een bevrijdende technologie ”, benadrukt Styles. "Je kunt nu schijnbaar onmogelijke onderdelen ontwerpen en ze toch laten maken, maar het belangrijkste is om de hoeveelheid materiaal tot een minimum te beperken."

Voor grote fabrikanten heeft additief impact. Maar zelfs zoals Deloitte opmerkt, moet die impact in de juiste context van innovatie worden geplaatst:

“Momenteel zorgt AM voor de fabricage van tooling niet zozeer voor een revolutie in de toeleveringsketen of het productontwerp, als wel voor het verbeteren van de efficiëntie en effectiviteit van toeleveringsketens en producten. Naarmate de AM-technologie echter blijft verbeteren en het gebruik van AM voor tooling blijft toenemen, kan het de mogelijkheid krijgen om de toeleveringsketens en producten van bedrijven directer te beïnvloeden door het innovatievermogen van bedrijven te vergroten."

Heeft uw winkel volledig gebruik gemaakt van additive manufacturing? Wat zijn enkele van uw grootste uitdagingen met de technologie? Laat het ons weten in de reacties hieronder.