Additiivinen valmistus, joka tunnetaan myös nimellä 3D-tulostus, on kehittynyt lähes 35 vuotta kaupallisen käytön alkamisesta. Ilmailu-, auto-, puolustus-, energia-, kuljetus-, lääke-, hammas- ja kuluttajateollisuus käyttävät additiivista valmistusta monissa eri sovelluksissa.
Näin laajan käyttöönoton myötä on selvää, ettei additiivisen valmistuksen ratkaisu ole yksi ainoa oikea. ISO/ASTM 52900 -terminologiastandardin mukaan lähes kaikki kaupalliset additiivisen valmistuksen järjestelmät kuuluvat yhteen seitsemästä prosessiluokasta. Näitä ovat materiaalin ekstruusio (MEX), kylpyfotopolymerointi (VPP), jauhepetisulatus (PBF), sideaineruiskutus (BJT), materiaalin ruiskutus (MJT), suunnattu energiankerrostus (DED) ja levylaminointi (SHL). Tässä ne on lajiteltu suosion mukaan yksikkömyynnin perusteella.
Yhä useammat alan ammattilaiset, mukaan lukien insinöörit ja johtajat, oppivat, milloin lisäainevalmistus voi auttaa parantamaan tuotetta tai prosessia ja milloin ei. Historiallisesti merkittävät aloitteet lisäainevalmistuksen käyttöönotosta ovat tulleet teknologiaa kokeneilta insinööreiltä. Johto näkee yhä enemmän esimerkkejä siitä, miten lisäainevalmistus voi parantaa tuottavuutta, lyhentää läpimenoaikoja ja luoda uusia liiketoimintamahdollisuuksia. Lisäainevalmistus ei korvaa useimpia perinteisiä valmistusmuotoja, mutta siitä tulee osa yrittäjän tuotekehitys- ja valmistusvalmiuksia.
Additiivisella valmistuksella on laaja valikoima sovelluksia mikrofluidiikasta laajamittaiseen rakentamiseen. Additiivisen valmistuksen hyödyt vaihtelevat toimialan, sovelluksen ja vaaditun suorituskyvyn mukaan. Organisaatioilla on oltava hyvät syyt AM:n käyttöönotolle käyttötapauksesta riippumatta. Yleisimpiä ovat konseptuaalinen mallinnus, suunnittelun varmennus sekä soveltuvuuden ja toiminnallisuuden varmennus. Yhä useammat yritykset käyttävät sitä työkalujen ja sovellusten luomiseen massatuotantoon, mukaan lukien räätälöityjen tuotteiden kehittäminen.
Ilmailu- ja avaruussovelluksissa paino on merkittävä tekijä. NASAn Marshallin avaruuslentokeskuksen mukaan 0,45 kg:n hyötykuorman lähettäminen Maan kiertoradalle maksaa noin 10 000 dollaria. Satelliittien painon vähentäminen voi säästää laukaisukustannuksissa. Liitteenä olevassa kuvassa näkyy Swissto12-metallista valmistettu AM-osa, joka yhdistää useita aaltojohteita yhdeksi osaksi. AM:n avulla paino laskee alle 0,08 kg:aan.
Additiivista valmistusta käytetään koko energiateollisuuden arvoketjussa. Joillekin yrityksille AM:n käytön liiketoimintaperuste on projektien nopea iterointi parhaan mahdollisen tuotteen luomiseksi mahdollisimman lyhyessä ajassa. Öljy- ja kaasuteollisuudessa vaurioituneet osat tai kokoonpanot voivat maksaa tuhansia dollareita tai enemmän menetettynä tuottavuutena tunnissa. AM:n käyttö toiminnan palauttamiseksi voi olla erityisen houkuttelevaa.
Merkittävä DED-järjestelmien valmistaja MX3D on julkaissut prototyyppisen putkenkorjaustyökalun. Vaurioituneen putkilinjan korjauskustannukset voivat yrityksen mukaan olla 100 000–1 000 000 euroa (113 157–1 131 570 dollaria) päivässä. Seuraavalla sivulla esitetty laite käyttää CNC-osaa runkona ja DED:tä putken kehän hitsaamiseen. AM-menetelmällä saavutetaan korkea hitsausteho ja minimaalinen hukka, kun taas CNC-menetelmällä saavutetaan tarvittava tarkkuus.
Vuonna 2021 TotalEnergiesin öljynporauslauttalle Pohjanmerellä asennettiin 3D-tulostettu vesisuoja. Vesisuojat ovat kriittinen elementti hiilivetyjen talteenoton ohjaamisessa rakenteilla olevissa kaivoissa. Tässä tapauksessa lisäainevalmistuksen käytön etuja ovat lyhyemmät läpimenoajat ja 45 %:n vähentyneet päästöt perinteisiin taottuihin vesisuojaimiin verrattuna.
Toinen liiketoimintatapaus lisäainevalmistukselle on kalliiden työkalujen vähentäminen. Phone Scope on kehittänyt digiscoping-sovittimia laitteille, jotka yhdistävät puhelimesi kameran teleskooppiin tai mikroskooppiin. Uusia puhelimia julkaistaan ​​joka vuosi, mikä edellyttää yrityksiltä uuden sovitinsarjan julkaisemista. Käyttämällä lisäainevalmistusta yritys voi säästää rahaa kalliissa työkaluissa, jotka on vaihdettava uusien puhelimien julkaisun yhteydessä.
Kuten minkä tahansa prosessin tai teknologian kohdalla, lisäainevalmistusta ei tulisi käyttää, koska sitä pidetään uutena tai erilaisena. Tämän tarkoituksena on parantaa tuotekehitystä ja/tai valmistusprosesseja. Sen tulisi lisätä arvoa. Esimerkkejä muista liiketoimintatapauksista ovat räätälöidyt tuotteet ja massaräätälöinti, monimutkaiset toiminnot, integroidut osat, pienempi materiaalin ja painon määrä sekä parannettu suorituskyky.
Jotta lisävalmistus saavuttaisi kasvupotentiaalinsa, on vastattava haasteisiin. Useimmissa valmistussovelluksissa prosessin on oltava luotettava ja toistettavissa. Myöhemmät menetelmät osien ja tukien materiaalinpoiston sekä jälkikäsittelyn automatisoimiseksi auttavat. Automaatio lisää myös tuottavuutta ja alentaa osakohtaisia ​​kustannuksia.
Yksi kiinnostavimmista alueista on jälkikäsittelyn automatisointi, kuten jauheen poisto ja viimeistely. Automatisoimalla sovellusten massatuotantoprosessia samaa teknologiaa voidaan toistaa tuhansia kertoja. Ongelmana on, että tietyt automaatiomenetelmät voivat vaihdella osatyypin, koon, materiaalin ja prosessin mukaan. Esimerkiksi automatisoitujen hammaskruunujen jälkikäsittely on hyvin erilaista kuin rakettimoottorin osien prosessointi, vaikka molemmat voidaan valmistaa metallista.
Koska osat on optimoitu AM-tuotantoa varten, niihin lisätään usein edistyneempiä ominaisuuksia ja sisäisiä kanavia. PBF-menetelmässä päätavoitteena on poistaa 100 % jauheesta. Solukon valmistaa automaattisia jauheenpoistojärjestelmiä. Yritys on kehittänyt Smart Powder Recovery (SRP) -nimisen teknologian, joka pyörittää ja täryttää rakennusalustalle edelleen kiinnitettyjä metalliosia. Pyörimistä ja tärinää ohjataan osan CAD-mallilla. Siirtämällä ja ravistamalla osia tarkasti talteen otettu jauhe virtaa lähes nesteen tavoin. Tämä automaatio vähentää manuaalista työtä ja voi parantaa jauheenpoiston luotettavuutta ja toistettavuutta.
Manuaalisen jauheenpoiston ongelmat ja rajoitukset voivat rajoittaa AM-tekniikan käyttökelpoisuutta massatuotannossa, jopa pieninä määrinä. Solukonin metallijauheenpoistojärjestelmät voivat toimia inertissä ilmakehässä ja kerätä käyttämätöntä jauhetta uudelleenkäyttöä varten AM-koneissa. Solukon teki asiakaskyselyn ja julkaisi joulukuussa 2021 tutkimuksen, joka osoitti, että kaksi suurinta huolenaihetta ovat työterveys ja toistettavuus.
Jauheen manuaalinen poistaminen PBF-hartsirakenteista voi olla aikaa vievää. Yritykset, kuten DyeMansion ja PostProcess Technologies, rakentavat jälkikäsittelyjärjestelmiä jauheen automaattiseen poistamiseen. Monet lisäainevalmistuksen osat voidaan ladata järjestelmään, joka kääntää ja poistaa väliaineen ylimääräisen jauheen poistamiseksi. HP:llä on oma järjestelmä, jonka sanotaan poistavan jauheen Jet Fusion 5200:n tulostuskammiosta 20 minuutissa. Järjestelmä varastoi sulamattoman jauheen erilliseen astiaan uudelleenkäyttöä tai kierrätystä varten muissa sovelluksissa.
Yritykset voivat hyötyä automaatiosta, jos sitä voidaan soveltaa useimpiin jälkikäsittelyvaiheisiin. DyeMansion tarjoaa järjestelmiä jauheenpoistoon, pinnan esikäsittelyyn ja maalaukseen. PowerFuse S -järjestelmä lataa osat, höyryttää sileät osat ja purkaa ne. Yritys tarjoaa ruostumattomasta teräksestä valmistetun telineen osien ripustamiseen, mikä tehdään käsin. PowerFuse S -järjestelmällä voidaan tuottaa ruiskuvalumuottia muistuttava pinta.
Alan suurin haaste on ymmärtää automaation tarjoamat todelliset mahdollisuudet. Jos on valmistettava miljoona polymeeriosaa, perinteiset valu- tai muovausprosessit voivat olla paras ratkaisu, vaikka tämä riippuukin osasta. AM-menetelmä on usein saatavilla työkalujen valmistuksen ja testauksen ensimmäisiin tuotantoeriin. Automatisoidun jälkikäsittelyn avulla tuhansia osia voidaan tuottaa luotettavasti ja toistettavasti AM-menetelmällä, mutta se on osakohtaista ja saattaa vaatia räätälöityä ratkaisua.
Lisävalmistustekniikalla (Additive Production) ei ole mitään tekemistä teollisuuden kanssa. Monet organisaatiot esittelevät mielenkiintoisia tutkimus- ja kehitystuloksia, jotka voivat johtaa tuotteiden ja palveluiden moitteettomaan toimintaan. Ilmailu- ja avaruusteollisuudessa Relativity Space tuottaa yhden suurimmista metallien lisäainevalmistusjärjestelmistä käyttäen patentoitua DED-teknologiaa, jota yritys toivoo käytettävän suurimman osan rakettiensa valmistukseen. Sen Terran 1 -raketti voi kuljettaa 1 250 kg:n hyötykuorman matalalle Maan kiertoradalle. Relativity suunnittelee laukaisevansa testiraketin vuoden 2022 puolivälissä ja suunnittelee jo suurempaa, uudelleenkäytettävää rakettia nimeltä Terran R.
Relativity Spacen Terran 1- ja R-raketit ovat innovatiivinen tapa kuvitella uudelleen, miltä tulevaisuuden avaruuslennot voisivat näyttää. Lisäainevalmistuksen suunnittelu ja optimointi herättivät kiinnostusta tätä kehitystä kohtaan. Yritys väittää, että tämä menetelmä vähentää osien määrää 100 kertaa perinteisiin raketteihin verrattuna. Yritys väittää myös voivansa tuottaa raketteja raaka-aineista 60 päivässä. Tämä on loistava esimerkki useiden osien yhdistämisestä yhdeksi ja toimitusketjun huomattavasta yksinkertaistamisesta.
Hammaslääketieteessä ainetta lisäävää valmistusta käytetään kruunujen, siltojen, kirurgisten porausmallien, osaproteesien ja oikomislaitteiden valmistukseen. Align Technology ja SmileDirectClub käyttävät 3D-tulostusta tuottaakseen osia kirkkaiden muovisten oikomislaitteiden lämpömuovaukseen. Invisalign-merkkisten tuotteiden valmistaja Align Technology käyttää monia fotopolymerointijärjestelmiä 3D Systems -kylpyissä. Vuonna 2021 yritys ilmoitti hoitaneensa yli 10 miljoonaa potilasta sen jälkeen, kun se sai FDA:n hyväksynnän vuonna 1998. Jos tyypillisen potilaan hoito koostuu 10 oikomislaitteesta, mikä on alhainen arvio, yritys on tuottanut 100 miljoonaa tai enemmän AM-osaa. Laadukkaiden muoviosien kierrätys on vaikeaa, koska ne ovat lämpökovettuvia. SmileDirectClub käyttää HP Multi Jet Fusion (MJF) -järjestelmää termoplastisten osien valmistukseen, jotka voidaan kierrättää muihin sovelluksiin.
Historiallisesti VPP ei ole pystynyt tuottamaan ohuita, läpinäkyviä ja lujia osia oikomishoidon laitteita varten. Vuonna 2021 LuxCreo ja Graphy julkaisivat mahdollisen ratkaisun. Helmikuusta lähtien Graphylla on FDA:n hyväksyntä hammashoidon laitteiden suoralle 3D-tulostukselle. Jos ne tulostetaan suoraan, kokonaisprosessia pidetään lyhyempänä, helpompana ja mahdollisesti edullisempana.
Varhainen kehitysaskel, joka sai paljon mediahuomiota, oli 3D-tulostuksen käyttö laajamittaisissa rakennussovelluksissa, kuten asuinrakennuksissa. Usein talon seinät tulostetaan suulakepuristamalla. Kaikki muut talon osat, kuten lattiat, katot, portaat, ovet, ikkunat, kodinkoneet, kaapit ja työtasot, valmistettiin perinteisillä menetelmillä ja materiaaleilla. 3D-tulostetut seinät voivat lisätä sähkön, valaistuksen, putkiston, kanaviston sekä lämmitys- ja ilmastointiventtiilien asennuskustannuksia. Betoniseinän sisä- ja ulkopuolen viimeistely on vaikeampaa kuin perinteisellä seinäsuunnittelulla. Kodin modernisointi 3D-tulostetuilla seinillä on myös tärkeä huomioida.
Oak Ridgen kansallislaboratorion tutkijat selvittävät, miten energiaa voidaan varastoida 3D-tulostettuihin seiniin. Asettamalla putkia seinään rakentamisen aikana vesi voi virrata sen läpi lämmitystä ja jäähdytystä varten. Tämä tutkimus- ja kehityshanke on mielenkiintoinen ja innovatiivinen, mutta se on vielä kehitysvaiheessa. Tämä tutkimus- ja kehityshanke on mielenkiintoinen ja innovatiivinen, mutta se on vielä kehitysvaiheessa.Tämä tutkimushanke on mielenkiintoinen ja innovatiivinen, mutta se on vielä kehitysvaiheessa.Tutkimushanke on mielenkiintoinen ja innovatiivinen, mutta vasta kehitysvaiheessa.
Useimmat meistä eivät vielä tunne rakennusosien tai muiden suurten esineiden 3D-tulostuksen taloudellisia näkökohtia. Teknologiaa on käytetty joidenkin siltojen, markiisien, puistonpenkkien sekä rakennusten ja ulkotilojen koriste-elementtien valmistukseen. Uskotaan, että lisäainevalmistuksen edut pienissä mittakaavoissa (muutamasta senttimetristä useisiin metreihin) pätevät myös laajamittaiseen 3D-tulostukseen. Lisäainevalmistuksen tärkeimpiä etuja ovat monimutkaisten muotojen ja ominaisuuksien luominen, osien määrän vähentäminen, materiaalin ja painon vähentäminen sekä tuottavuuden lisääminen. Jos lisäainevalmistus ei lisää arvoa, sen hyödyllisyyttä tulisi kyseenalaistaa.
Lokakuussa 2021 Stratasys osti loput 55 %:n osuuden Xaar 3D:stä, joka on brittiläisen teollisuusmustesuihkutulostinvalmistajan Xaar tytäryhtiö. Stratasysin polymeerinen PBF-teknologia, nimeltään Selective Absorbion Fusion, perustuu Xaar-mustesuihkutulostuspäihin. Stratasys H350 -laite kilpailee HP:n MJF-järjestelmän kanssa.
Desktop Metalin ostaminen oli vaikuttavaa. Helmikuussa 2021 yritys osti Envisiontecin, pitkäaikaisen teollisten lisäainevalmistusjärjestelmien valmistajan. Toukokuussa 2021 yritys osti Adaptive3D:n, joustavien VPP-polymeerien kehittäjän. Heinäkuussa 2021 Desktop Metal osti Aerosintin, monimateriaalijauhemaalaus- ja uudelleenpinnoitusprosessien kehittäjän. Suurin yritysosto tapahtui elokuussa, kun Desktop Metal osti kilpailijansa ExOnen 575 miljoonalla dollarilla.
Desktop Metalin ExOnen osto yhdistää kaksi tunnettua metallisten BJT-järjestelmien valmistajaa. Yleisesti ottaen teknologia ei ole vielä saavuttanut sitä tasoa, jota monet uskovat. Yritykset jatkavat sellaisten ongelmien ratkaisemista kuin toistettavuus, luotettavuus ja ongelmien perimmäisen syyn ymmärtäminen niiden ilmetessä. Silti, jos ongelmat ratkaistaan, teknologialla on vielä tilaa tavoittaa suurempia markkinoita. Heinäkuussa 2021 3DEO, omaa 3D-tulostusjärjestelmää käyttävä palveluntarjoaja, ilmoitti toimittaneensa miljoonasosan asiakkaille.
Ohjelmisto- ja pilvialustojen kehittäjät ovat nähneet merkittävää kasvua additiivisen valmistuksen teollisuudessa. Tämä pätee erityisesti suorituskyvyn hallintajärjestelmiin (MES), jotka seuraavat additiivisen valmistuksen arvoketjua. 3D Systems sopi Oqtonin ostamisesta syyskuussa 2021 180 miljoonalla dollarilla. Vuonna 2017 perustettu Oqton tarjoaa pilvipohjaisia ​​ratkaisuja työnkulun parantamiseksi ja additiivisen valmistuksen tehokkuuden parantamiseksi. Materialize osti Link3D:n marraskuussa 2021 33,5 miljoonalla dollarilla. Kuten Oqton, Link3D:n pilvialusta seuraa työtä ja yksinkertaistaa additiivisen valmistuksen työnkulkua.
Yksi vuoden 2021 uusimmista yritysostoista on ASTM Internationalin Wohlers Associatesin osto. Yhdessä ne pyrkivät hyödyntämään Wohlers-brändiä tukeakseen AM:n laajempaa käyttöönottoa maailmanlaajuisesti. ASTM AM:n osaamiskeskuksen kautta Wohlers Associates jatkaa Wohlersin raporttien ja muiden julkaisujen tuottamista sekä neuvontapalveluiden, markkina-analyysien ja koulutuksen tarjoamista.
Lisäainevalmistusteollisuus on kypsynyt, ja monet teollisuudenalat käyttävät teknologiaa monenlaisissa sovelluksissa. 3D-tulostus ei kuitenkaan korvaa useimpia muita valmistusmuotoja. Sen sijaan sitä käytetään uudenlaisten tuotteiden ja liiketoimintamallien luomiseen. Organisaatiot käyttävät lisäainetta osien painon vähentämiseen, läpimenoaikojen ja työkalukustannusten lyhentämiseen sekä tuotteiden personoinnin ja suorituskyvyn parantamiseen. Lisäainevalmistusteollisuuden odotetaan jatkavan kasvuaan uusien yritysten, tuotteiden, palveluiden, sovellusten ja käyttötapausten myötä, usein huimaa vauhtia.