Lisandite tootmine, tuntud ka kui 3D-printimine, on alates selle kommertslikust kasutamisest pidevalt arenenud peaaegu 35 aastat. Lennundus-, auto-, kaitse-, energeetika-, transpordi-, meditsiini-, hambaravi- ja tarbekaupade tööstus kasutab lisandite tootmist väga erinevates rakendustes.
Nii laialdase kasutuselevõtu korral on selge, et lisandite tootmine ei ole universaalne lahendus. Terminoloogiastandardi ISO/ASTM 52900 kohaselt kuuluvad peaaegu kõik kaubanduslikud lisandite tootmise süsteemid ühte seitsmest protsessikategooriast. Nende hulka kuuluvad materjali ekstrusioon (MEX), vannifotopolümerisatsioon (VPP), pulbervoodisulatus (PBF), sideaine pihustamine (BJT), materjali pihustamine (MJT), suunatud energia sadestamine (DED) ja lehtlamineerimine (SHL). Siin on need järjestatud populaarsuse järgi, mis põhineb ühikumüügil.
Üha rohkem valdkonna spetsialiste, sealhulgas insenere ja juhte, õpivad, millal saab lisandtootmine aidata toodet või protsessi täiustada ja millal mitte. Ajalooliselt on lisandtootmise rakendamise peamised algatused tulnud tehnoloogiaga kogenud inseneridelt. Juhtkond näeb üha rohkem näiteid sellest, kuidas lisandtootmine saab parandada tootlikkust, lühendada tarneaegu ja luua uusi ärivõimalusi. Lisandtootmine ei asenda enamikku traditsioonilisi tootmisvorme, kuid sellest saab osa ettevõtja tootearenduse ja tootmisvõimaluste arsenalist.
Lisandite tootmisel on lai valik rakendusi, alates mikrofluidikast kuni suuremahulise ehituseni. Lisandite tootmise eelised varieeruvad olenevalt valdkonnast, rakendusest ja vajalikust jõudlusest. Organisatsioonidel peavad lisandite tootmise rakendamiseks olema head põhjused, olenemata kasutusjuhtumist. Kõige levinumad on kontseptuaalne modelleerimine, disaini kontrollimine ning sobivuse ja funktsionaalsuse kontrollimine. Üha rohkem ettevõtteid kasutab seda masstootmise tööriistade ja rakenduste loomiseks, sealhulgas kohandatud toodete arendamiseks.
Lennundusrakenduste puhul on kaal peamine tegur. NASA Marshalli kosmoselennukeskuse andmetel maksab 0,45 kg kaaluva koorma Maa orbiidile saatmine umbes 10 000 dollarit. Satelliitide kaalu vähendamine võib säästa stardikulusid. Lisatud pildil on näha Swissto12 metallist AM-osa, mis ühendab mitu lainejuhti üheks osaks. AM-iga väheneb kaal alla 0,08 kg.
Lisandite tootmist kasutatakse energiatööstuses kogu väärtusahelas. Mõne ettevõtte jaoks on lisandite tootmise kasutamise äriline põhjus projektide kiire itereerimine, et luua parim võimalik toode lühima aja jooksul. Nafta- ja gaasitööstuses võivad kahjustatud osad või sõlmed maksta tuhandeid dollareid või rohkem kaotatud tootlikkusena tunnis. Lisandite tootmise kasutamine tegevuse taastamiseks võib olla eriti atraktiivne.
Suur DED-süsteemide tootja MX3D on välja lasknud torude remonditööriista prototüübi. Ettevõtte andmetel võib kahjustatud torujuhtme remont maksta 100 000–1 000 000 eurot (113 157–1 131 570 dollarit) päevas. Järgmisel lehel näidatud kinnitusvahend kasutab raamina CNC-detaili ja toru ümbermõõdu keevitamiseks DED-tehnoloogiat. AM-tootmine tagab suure sadestuskiiruse minimaalse jäätmetega, samas kui CNC tagab vajaliku täpsuse.
2021. aastal paigaldati Põhjameres asuvale TotalEnergiese naftaplatvormile 3D-prinditud veetoru. Veetorud on kriitilise tähtsusega element, mida kasutatakse süsivesinike eraldamise juhtimiseks ehitamisel olevates puurkaevudes. Sel juhul on lisandite tootmise kasutamise eelisteks lühemad ettevalmistusajad ja 45% väiksem heide võrreldes traditsiooniliste sepistatud veetorudega.
Teine äriline argument lisandite tootmise kasuks on kallite tööriistade vähendamine. Phone Scope on välja töötanud digiskoopimisadapterid seadmetele, mis ühendavad teie telefoni kaamera teleskoobi või mikroskoobiga. Igal aastal tuleb turule uusi telefone, mis nõuab ettevõtetelt uue adapterite seeria väljaandmist. Lisandite tootmist kasutades saab ettevõte säästa raha kallite tööriistade pealt, mis tuleb uute telefonide turuletoomisel välja vahetada.
Nagu iga protsessi või tehnoloogia puhul, ei tohiks ka lisandtootmist kasutada, kuna seda peetakse uueks või erinevaks. Selle eesmärk on parandada tootearendust ja/või tootmisprotsesse. See peaks lisama väärtust. Muude ärijuhtumite näideteks on eritellimusel tooted ja masskohandamine, keerukas funktsionaalsus, integreeritud osad, väiksem materjali ja kaalu hulk ning parem jõudlus.
Selleks, et AM oma kasvupotentsiaali realiseerida, tuleb lahendada väljakutseid. Enamiku tootmisrakenduste puhul peab protsess olema usaldusväärne ja reprodutseeritav. Järgnevad meetodid detailide ja tugede materjali eemaldamise ning järeltöötluse automatiseerimiseks aitavad kaasa. Automatiseerimine suurendab ka tootlikkust ja vähendab detaili maksumust.
Üks suurimat huvi pakkuvaid valdkondi on järeltöötluse automatiseerimine, näiteks pulbri eemaldamine ja viimistlus. Rakenduste masstootmise protsessi automatiseerimise abil saab sama tehnoloogiat korrata tuhandeid kordi. Probleem on selles, et spetsiifilised automatiseerimismeetodid võivad erineda detaili tüübi, suuruse, materjali ja protsessi lõikes. Näiteks automatiseeritud hambakroonide järeltöötlus erineb väga palju rakettmootori osade töötlemisest, kuigi mõlemad võivad olla valmistatud metallist.
Kuna detailid on AM-tootmise jaoks optimeeritud, lisatakse sageli täiustatud funktsioone ja sisemisi kanaleid. PBF-i puhul on peamine eesmärk eemaldada 100% pulbrist. Solukon toodab automaatseid pulbri eemaldamise süsteeme. Ettevõte on välja töötanud tehnoloogia nimega Smart Powder Recovery (SRP), mis pöörleb ja vibreerib metalldetaile, mis on endiselt alusplaadi külge kinnitatud. Pöörlemist ja vibratsiooni juhib detaili CAD-mudel. Detailide täpse liigutamise ja raputamise abil voolab kinnipüütud pulber peaaegu nagu vedelik. See automatiseerimine vähendab käsitsi tööd ning parandab pulbri eemaldamise usaldusväärsust ja reprodutseeritavust.
Pulbri käsitsi eemaldamise probleemid ja piirangud võivad piirata AM-i kasutamise elujõulisust masstootmises isegi väikeste koguste puhul. Solukoni metallipulbri eemaldamise süsteemid saavad töötada inertses atmosfääris ja koguda kasutamata pulbrit AM-masinates taaskasutamiseks. Solukon viis läbi kliendiküsitluse ja avaldas 2021. aasta detsembris uuringu, mis näitas, et kaks suurimat muret on töötervishoid ja reprodutseeritavus.
Pulbri käsitsi eemaldamine PBF-vaigust struktuuridest võib olla aeganõudev. Ettevõtted nagu DyeMansion ja PostProcess Technologies ehitavad järeltöötlussüsteeme pulbri automaatseks eemaldamiseks. Paljusid lisandite tootmise osi saab laadida süsteemi, mis pöörab keskkonna ümber ja väljutab selle, et eemaldada liigne pulber. HP-l on oma süsteem, mis väidetavalt eemaldab pulbri Jet Fusion 5200 printimiskambrist 20 minutiga. Süsteem hoiab sulamata pulbrit eraldi konteineris taaskasutamiseks või ringlussevõtuks muudes rakendustes.
Ettevõtted saavad automatiseerimisest kasu, kui seda saab rakendada enamiku järeltöötlusetappide puhul. DyeMansion pakub süsteeme pulbri eemaldamiseks, pinna ettevalmistamiseks ja värvimiseks. PowerFuse S süsteem laadib detailid, aurutab siledad detailid ja laadib need maha. Ettevõte pakub roostevabast terasest riiulit detailide riputamiseks, mida tehakse käsitsi. PowerFuse S süsteem suudab luua survevaluvormiga sarnase pinna.
Tööstuse suurim väljakutse on automatiseerimise pakutavate reaalsete võimaluste mõistmine. Kui on vaja toota miljon polümeerdetaili, võivad traditsioonilised valamis- või vormimisprotsessid olla parim lahendus, kuigi see sõltub detailist. Tööriistade tootmisel ja testimisel on esimese tootmispartii jaoks sageli saadaval AM. Automatiseeritud järeltöötluse abil saab AM-i abil usaldusväärselt ja reprodutseeritavalt toota tuhandeid detaile, kuid see on detailispetsiifiline ja võib vajada kohandatud lahendust.
AM-l pole tööstusega mingit pistmist. Paljud organisatsioonid esitlevad huvitavaid uurimis- ja arendustulemusi, mis võivad viia toodete ja teenuste nõuetekohase toimimiseni. Lennundustööstuses toodab Relativity Space ühte suurimat metallide lisandite tootmissüsteemi, mis kasutab patenteeritud DED-tehnoloogiat, mida ettevõte loodab kasutada enamiku oma rakettide tootmiseks. Nende Terran 1 rakett suudab Maa madalale orbiidile toimetada 1250 kg kaaluva kasuliku koorma. Relativity plaanib katseraketi käivitada 2022. aasta keskel ja planeerib juba suuremat, korduvkasutatavat raketti nimega Terran R.
Relativity Space'i raketid Terran 1 ja R on uuenduslik viis tuleviku kosmoselendude ümberkujundamiseks. Lisandite tootmise disain ja optimeerimine äratasid selle arenduse vastu huvi. Ettevõte väidab, et see meetod vähendab osade arvu traditsiooniliste rakettidega võrreldes 100 korda. Samuti väidab ettevõte, et suudab toormaterjalidest rakette toota 60 päeva jooksul. See on suurepärane näide paljude osade ühendamisest üheks ja tarneahela olulisest lihtsustamisest.
Hambaravitööstuses kasutatakse kroonide, sildade, kirurgiliste puurimismallide, osaproteeside ja alignerite valmistamiseks lisandite tootmist. Align Technology ja SmileDirectClub kasutavad 3D-printimist läbipaistvate plastist alignerite termovormimiseks mõeldud osade tootmiseks. Invisaligni kaubamärgiga toodete tootja Align Technology kasutab paljusid 3D Systemsi vannides olevaid fotopolümerisatsioonisüsteeme. 2021. aastal teatas ettevõte, et on alates FDA heakskiidu saamisest 1998. aastal ravinud üle 10 miljoni patsiendi. Kui tüüpilise patsiendi ravi koosneb 10 alignerist, mis on madal hinnang, on ettevõte tootnud 100 miljonit või rohkem AM-detaili. FRP-detaile on raske taaskasutada, kuna need on termoreaktiivsed. SmileDirectClub kasutab HP Multi Jet Fusion (MJF) süsteemi termoplastsete osade tootmiseks, mida saab taaskasutada ka muudes rakendustes.
Ajalooliselt pole VPP suutnud toota õhukesi, läbipaistvaid ja tugevaid detaile ortodontiliste seadmete jaoks. 2021. aastal avaldasid LuxCreo ja Graphy võimaliku lahenduse. Veebruari seisuga on Graphyl FDA heakskiit hambaraviseadmete otseprintimiseks 3D-printimiseks. Kui need otse printida, peetakse otsast lõpuni protsessi lühemaks, lihtsamaks ja potentsiaalselt odavamaks.
Varajane areng, mis pälvis palju meediakajastust, oli 3D-printimise kasutamine suuremahulistes ehitusrakendustes, näiteks elamute ehitamisel. Sageli trükitakse maja seinad ekstrusiooni teel. Kõik muud maja osad, sealhulgas põrandad, laed, katused, trepid, uksed, aknad, kodumasinad, kapid ja tööpinnad, valmistati traditsiooniliste meetodite ja materjalide abil. 3D-prinditud seinad võivad suurendada elektri, valgustuse, torustiku, õhukanalite ning kütte- ja kliimaseadmete ventilatsiooniavade paigaldamise kulusid. Betoonseina sise- ja välisviimistlus on keerulisem kui traditsioonilise seinakujundusega. Kodu moderniseerimine 3D-prinditud seintega on samuti oluline kaalutlus.
Oak Ridge'i riikliku labori teadlased uurivad, kuidas 3D-prinditud seintes energiat salvestada. Torude sisestamisega seina ehituse ajal saab vesi läbi selle voolata nii kütmiseks kui ka jahutamiseks. See teadus- ja arendusprojekt on huvitav ja uuenduslik, kuid on alles arengu algstaadiumis. See teadus- ja arendusprojekt on huvitav ja uuenduslik, kuid on alles arengu algstaadiumis.See uurimisprojekt on huvitav ja uuenduslik, kuid see on alles arendusjärgus.See uurimisprojekt on huvitav ja uuenduslik, kuid alles arengu algstaadiumis.
Enamik meist ei ole veel tuttav hooneosade või muude suurte objektide 3D-printimise ökonoomsete külgedega. Seda tehnoloogiat on kasutatud mõnede sildade, varikatuste, pargipinkide ja hoonete ning väliskeskkonna dekoratiivelementide tootmiseks. Arvatakse, et lisanditootmise eelised väikesemahulistes toodetes (mõnest sentimeetrist kuni mitme meetrini) kehtivad ka suuremahulistes 3D-printimistööde puhul. Lisanditootmise peamised eelised hõlmavad keerukate kujundite ja omaduste loomist, osade arvu vähendamist, materjali ja kaalu vähendamist ning tootlikkuse suurendamist. Kui lisandtootmine ei lisa väärtust, tuleks selle kasulikkust kahtluse alla seada.
2021. aasta oktoobris omandas Stratasys ülejäänud 55% osaluse Briti tööstuslike tindiprinterite tootja Xaar tütarettevõttes Xaar 3D. Stratasysi polümeer-PBF-tehnoloogia, mida nimetatakse selektiivseks absorptsioonifusiooniks, põhineb Xaari tindiprinteri prindipeadel. Stratasys H350 masin konkureerib HP MJF-süsteemiga.
Desktop Metali ostmine oli muljetavaldav. 2021. aasta veebruaris omandas ettevõte Envisionteci, mis on kauaaegne tööstuslike lisandite tootmissüsteemide tootja. 2021. aasta mais omandas ettevõte Adaptive3D, mis on paindlike VPP-polümeeride arendaja. 2021. aasta juulis omandas Desktop Metal Aerosinti, mis on mitme materjaliga pulbervärvimise ja ülekatmise protsesside arendaja. Suurim omandamine toimus augustis, kui Desktop Metal ostis konkurendi ExOne'i 575 miljoni dollari eest.
Desktop Metali ExOne'i omandamine toob kokku kaks tuntud metallist BJT-süsteemide tootjat. Üldiselt pole tehnoloogia veel jõudnud tasemele, mida paljud arvavad. Ettevõtted tegelevad jätkuvalt selliste probleemidega nagu korduvus, töökindlus ja probleemide algpõhjuse mõistmine nende tekkimisel. Sellegipoolest, kui probleemid lahendatakse, on tehnoloogial veel ruumi suurematele turgudele jõudmiseks. 2021. aasta juulis teatas patenteeritud 3D-printimissüsteemi kasutav teenusepakkuja 3DEO, et on klientidele tarninud miljonenda eksemplari.
Tarkvara- ja pilveplatvormide arendajad on näinud lisandite tootmise tööstuses märkimisväärset kasvu. See kehtib eriti tulemusjuhtimise süsteemide (MES) kohta, mis jälgivad AM väärtusahelat. 3D Systems nõustus Oqtoni omandamisega 2021. aasta septembris 180 miljoni dollari eest. 2017. aastal asutatud Oqton pakub pilvepõhiseid lahendusi töövoo parandamiseks ja AM efektiivsuse suurendamiseks. Materialize omandas Link3D 2021. aasta novembris 33,5 miljoni dollari eest. Nagu Oqton, jälgib ka Link3D pilveplatvorm tööd ja lihtsustab AM töövoogu.
Üks viimaseid omandamisi 2021. aastal on ASTM Internationali poolt Wohlers Associatesi omandamine. Koos töötavad nad selle nimel, et kasutada Wohlersi brändi ära, et toetada AM-i laiemat kasutuselevõttu kogu maailmas. ASTM AM tippkeskuse kaudu jätkab Wohlersi Associates Wohlersi aruannete ja muude väljaannete koostamist ning nõustamisteenuste, turuanalüüsi ja koolituse pakkumist.
Lisandite tootmise tööstus on küpseks saanud ja paljud tööstusharud kasutavad seda tehnoloogiat laias valikus rakendustes. Kuid 3D-printimine ei asenda enamikku teisi tootmisvorme. Selle asemel kasutatakse seda uut tüüpi toodete ja ärimudelite loomiseks. Organisatsioonid kasutavad lisandite tootmist osade kaalu vähendamiseks, tarneaegade ja tööriistade kulude lühendamiseks ning toodete isikupärastamise ja toimivuse parandamiseks. Lisandite tootmise tööstus peaks jätkama oma kasvutrajektoori, kuna tekivad uued ettevõtted, tooted, teenused, rakendused ja kasutusjuhud, sageli peadpööritava kiirusega.