Waarom 3D-printen de moderne productie revolutieert

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

Van lichaamsdelen tot huizen, 3D-printen, ook bekend als additieve productie in de productiesector, is snel gegroeid van een kopwaardige tech-hype voor consumenten tot een haalbare, toegankelijke manier om dingen te bouwen, zoals medische implantaten, auto- en luchtvaartonderdelen, en plastic prototypes voor industriële ontwerpers.

Wat is additieve productie precies? De MIT Technology Review beschrijft het als de industriële versie van 3D-printen waar een machine "een object bouwt door ultradunne lagen materiaal één voor één toe te voegen." In plaats van traditioneel bewerkingswerk dat elementen aftrekt of verwijdert van bestaand materiaal (zoals in conventionele metaalbewerking, frezen en CNC-bewerking)—bouwt additieve productie vanaf de basis op.

Wat zijn de voordelen van additieve productie? Het biedt bedrijven bredere opties om te innoveren en productie op maat te maken aan interne tooling en klantonderdeel- en materiaalbehoeftes—en om kosten te verlagen door "het verminderen van de hoeveelheid materiaal dat verloren gaat tijdens fabricage, het verbeteren van productopbrengst, en/of het verminderen van arbeidsinput," volgens Deloitte University Press in een artikel over 3D-toepassingen voor tooling.

3D-printen: Adoptie van additieve productie neemt toe

Volgens een studie van PwC en The Manufacturing Institute, hebben ruwweg twee derde van de fabrikanten de technologie al in een of andere vorm geadopteerd, en meer dan de helft gebruikt het al voor prototyping––een significante sprong ten opzichte van slechts twee jaar eerder, met 35 procent van de fabrikanten die de technologie uitprobeerden.

En zoals de enquête suggereert, nemen fabrikanten aan dat de snelle groei rond additieve productie alleen maar meer tempo zal pakken. Meer dan de helft van de fabrikanten verwacht dat additieve productie binnen de komende vijf jaar gebruikt zal worden voor hoge-volume productie, vergeleken met slechts 38 procent twee jaar geleden.

De markt voor additieve productie voor metalen ondersteunt deze bevindingen. Volgens SmarTech Publishing's "Additive Manufacturing with Metal Powders 2017" onderzoek, was de markt voor additieve productiesystemen en metaalpoedermaterialen meer dan $950 miljoen in 2016—en wordt verwacht te groeien tot $6,6 miljard bij 2026.

3D-printen, Additieve Productie Uitdagingen: Tijd & Kosten

Ondanks de enorme hype rond additieve productie, zijn er enkele beperkingen om te begrijpen. Ten eerste, additieve productie kan traag zijn om te produceren. Het produceren van het soort volume dat je bereikt met CNC-bewerking in metalen is geen appels-met-peren-vergelijking.

"Voor metalen is het een ander issue," zegt Gordon Styles, oprichter en president van Star Rapid, in een interview met Engineering.com. "Er is geen punt om 3D te printen wat ontworpen is voor CNC-bewerking; het zal van nature veel langzamer zijn om te printen omdat de printtijd relatief is aan het volume materiaal. Meeste metalen onderdelen ontworpen voor CNC zijn voluminous en nemen daarom lang op een 3D-printer."

Verschillende bedrijven werken aan het versnellen van het proces, merkt Styles op. Maar die verbeterde technologie zal een ander groot uitdaging voor bedrijven ontlokken: kosten. Additieve productie kan duur zijn, dus is het belangrijk om alle "kostenhefbomen" te begrijpen, vindt Jason T. Ray, een geavanceerde productie-industriele strategieconsultant.

"Vanwege de nieuwheid van AM [additieve productie] en de hoge voorafgaande investeringskosten die nodig zijn om de machines te kopen, veranderen use cases vaak in een hamer die nagels zoekt, in plaats van een kosten-baten-gestuurd proces," merkt Ray op in het artikel "Calculating the Cost of Additive Manufacturing" voor Disruptive magazine. "Wanneer dit gebeurt, wordt de nadruk op herontwerp verminderd, en produceren bedrijven componenten die oorspronkelijk ontworpen waren voor traditionele productiemethoden en dus slechts een fractie van de eindgebruiksvoordelen verbonden met AM vangen."

Maar zoals een rapport van de Universiteit van Nottingham vond, hoeft dat niet voor altijd zo te zijn. Hun theorie: Naarmate machine-technologie geavanceerder wordt, wordt het economische geval voor het adopteren van additieve productie in productie haalbaarder. Echter, zolang machines hetzelfde blijven, zal de kosten hoog blijven.

"Terwijl we vandaag beperkt zijn, 10 jaar van nu zullen we honderden beschikbare materialen zien," zei Styles tegen Engineering.com. "Het probleem is niet echt de beschikbaarheid van materialen, het is de tijd en inspanning die nodig is om materialen te switchen. Vandaag duurt het ongeveer 24 uur om een machine om te zetten voor een nieuw materiaal."

Echter, er zijn enkele gevallen waarin CNC-bewerking duurder kan zijn dan additieve productie. Maar er is maar één zeker manier om te weten.

"De beste manier is om simpelweg een offerte voor de twee processen van je rapid prototyping dienstverlener te krijgen," legt Styles uit. "Een regel van de duim, wel, is dit: Als het onderdeel CNC bewerkt kan worden, is het waarschijnlijk goedkoper om het CNC te bewerken—en in 90 procent van de gevallen is dit waar."

Om het af te maken, benadrukt Styles ook het feit dat sommige additieve materialen verder werk van CNC-bewerking kunnen nodig hebben, wat het verwijderen van supports zou omvatten. En wat meer is, hitte presenteert waarschijnlijk het grootste probleem van alle, dreigend om, letterlijk, producten uiteen te scheuren.

3D-printen in fabrieken: Plastic, Onderdelen, Tooling, Hybride

Uitdagingen niettegenstaande, bij prototyping in plastic, kan additieve productie enkele grote voordelen hebben. Bij CNC-bewerking voor prototyping met plastic, ligt het probleem in de cilindervormige snijters, die het moeilijk maken de interne vierkante hoeken te bewerken die gangbaar zijn in deze typen ontwerpen. Met 3D-printen, maken de mogelijkheden voor customizing—en trial and error in prototyping—zin voor product-, onderdeel- en tool-ontwerpers.

Additieve productie is "ideaal voor lage volumes die snelle turnaround nodig hebben en profiteren van besparingen in setup, tooling opzetten en vergelijkbare voorbereidingstijden zelfs als de werkelijke per onderdeel tijden veel hoger kunnen zijn dan met een puur aftrekkend proces," vindt Bob Warfield, CEO en oprichter van CNC Cookbook, in een artikel over hybride bewerking (waar additieve en aftrekkende processen coexisteren).

Het Additieve Productie Geval voor Onderdelen & Tooling

De real-world use cases voor additieve productie zijn de aandacht waard. Verschillende van de grote industriële fabrikanten nemen vol voordeel van additieve's potentieel. Hier zijn verschillende voorbeelden van grote industriële spelers.

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

"[T]he beslissing om een kritisch metaallegeringonderdeel massaal te produceren dat gebruikt zal worden in duizenden straalmotoren is een significante mijlpaal voor de technologie," schrijft Martin LaMonica van MIT Technology Review. "En terwijl 3D-printen voor consumenten en kleine ondernemers veel publiciteit heeft gekregen, is het in de productie waar de technologie zijn meest significante commerciële impact zou kunnen hebben."

Het additieve proces hier gebruikt hybride metaalpoeders die gelaserd worden gespoten om te vormen, wat het onderdeel lichter maakt, leidend tot brandstofbesparing voor luchtvaartmaatschappijen. Het proces is goedkoper om te produceren voor de fabrikant—en het nieuwe onderdeel verlaagt de klantkosten resulterend in een echte win-win.

In tooling, maakt Deloitte een overtuigend geval voor additieve's gebruik—met detail van real-world voorbeelden waar rapid prototyping via additieve processen de levertijden voor gietwerk en interne toolingfabricage aanzienlijk hebben verminderd. Deloitte beschrijft hoe Ford Motor Company additieve in grote mate heeft benut voor zijn EcoBoost-motoren, rotersteunen, transmissiekters en remschijven voor de Ford Explorer.

"Het bedrijf gebruikt AM om de zandvormen en -kernen die gebruikt worden voor het gieten van prototype-onderdelen, snel te creëren," merkt Deloitte op. "Dit heeft Ford geholpen de levertijd met maximaal vier maanden te verminderen en het bedrijf miljoenen dollars te besparen."

Het Geval voor Hybride Bewerking: Additief en Aftrekkend

Wat hybride betreft, makers van additieve productietools hebben begonnen hybride machines te ontwikkelen met zowel additieve als aftrekkende mogelijkheden––en ze zijn een spectacle om te zien. Deze "hybride" machines combineren de geometrische vrijheid van 3D-printen met de precisie van CNC-bewerking.

"Stel je een geval voor waar je extreem lage volumes van extreem gesofisticeerde onderdelen moet produceren, bijvoorbeeld vervangingsonderdelen voor turbines in een onderhoudsfaciliteit," schrijft Warfield. "Een [hybride] machine als deze zou ideaal kunnen zijn."

Echter, met veel van deze nieuwe tools, zijn fabrikanten beperkt tot het produceren van enkele onderdelen en kunnen ze vaak niet direct produceren vanuit digitale bestanden––iets wat ze wel zouden kunnen bereiken met puur additieve strategieën.

"Men moet metaal 3D-printen zien als een bevrijdende technologie," benadrukt Styles. "Je kunt nu onmogelijk lijken onderdelen ontwerpen en ze toch laten maken, maar de sleutel is om het volume materiaal tot een minimum te houden."

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

"Momenteel revolutioneert AM voor de fabricage van tooling de toeleveringskete of productontwerp niet zoveel als het de efficiëntie en effectiviteit van toeleveringsketens en producten verbetert. Echter, naarmate AM-technologie blijft verbeteren en het gebruik van AM voor tooling blijft toenemen, kan het de capaciteit krijgen om de toeleveringsketens en producten van bedrijven meer direct te beïnvloeden door de capaciteit van bedrijven om te innoveren te vergroten."

Heeft je werkplaats additieve productie volop geadopteerd? Wat zijn je grootste uitdagingen met de technologie? Laat het ons weten in de reacties hieronder.