Additieve productie, ook wel 3D-printen genoemd, is al bijna 35 jaar sinds de commerciële introductie ervan voortdurend in ontwikkeling. De lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie, defensie, energie, transport, medische industrie, tandheelkundige industrie en consumentenproducten gebruiken additieve productie voor een breed scala aan toepassingen.
Met zo'n brede acceptatie is het duidelijk dat additieve productie geen pasklare oplossing is. Volgens de terminologienorm ISO/ASTM 52900 vallen bijna alle commerciële additieve productiesystemen in een van de zeven procescategorieën. Deze omvatten materiaalextrusie (MEX), badfotopolymerisatie (VPP), poederbedfusie (PBF), bindmiddelspuiten (BJT), materiaalspuiten (MJT), gerichte energiedepositie (DED) en lamineren (SHL). Hier zijn ze gesorteerd op populariteit op basis van verkochte eenheden.
Steeds meer professionals in de industrie, waaronder ingenieurs en managers, ontdekken wanneer additieve productie een product of proces kan verbeteren en wanneer niet. Historisch gezien kwamen belangrijke initiatieven om additieve productie te implementeren van ingenieurs met ervaring met de technologie. Het management ziet steeds meer voorbeelden van hoe additieve productie de productiviteit kan verbeteren, doorlooptijden kan verkorten en nieuwe zakelijke kansen kan creëren. AM zal de meeste traditionele vormen van productie niet vervangen, maar zal deel uitmaken van het arsenaal aan productontwikkelings- en productiecapaciteiten van de ondernemer.
Additieve productie kent een breed scala aan toepassingen, van microfluïdica tot grootschalige constructie. De voordelen van AM variëren per branche, toepassing en vereiste prestaties. Organisaties moeten goede redenen hebben om AM te implementeren, ongeacht de use case. De meest voorkomende zijn conceptuele modellering, ontwerpverificatie en verificatie van geschiktheid en functionaliteit. Steeds meer bedrijven gebruiken AM om tools en applicaties te creëren voor massaproductie, waaronder productontwikkeling op maat.
Voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart is gewicht een belangrijke factor. Volgens het Marshall Space Flight Center van NASA kost het ongeveer $ 10.000 om een ​​lading van 0,45 kg in een baan om de aarde te brengen. Door het gewicht van satellieten te verlagen, kunnen lanceerkosten worden bespaard. De bijgevoegde afbeelding toont een Swissto12 metalen AM-onderdeel dat meerdere golfgeleiders combineert tot één onderdeel. Met AM wordt het gewicht teruggebracht tot minder dan 0,08 kg.
Additieve productie wordt in de hele waardeketen in de energiesector gebruikt. Voor sommige bedrijven is de businesscase voor het gebruik van AM het snel itereren van projecten om zo in de kortst mogelijke tijd het best mogelijke product te creëren. In de olie- en gasindustrie kunnen beschadigde onderdelen of assemblages duizenden dollars of meer per uur aan productiviteitsverlies kosten. Het gebruik van AM om de bedrijfsvoering te herstellen kan bijzonder aantrekkelijk zijn.
MX3D, een grote fabrikant van DED-systemen, heeft een prototype pijpreparatietool uitgebracht. Een beschadigde pijpleiding kan volgens het bedrijf tussen de € 100.000 en € 1.000.000 ($ 113.157 - $ 1.131.570) per dag kosten. De op de volgende pagina getoonde mal gebruikt een CNC-onderdeel als frame en gebruikt DED om de omtrek van de pijp te lassen. AM zorgt voor hoge depositiesnelheden met minimale verspilling, terwijl CNC de vereiste precisie biedt.
In 2021 werd een 3D-geprinte watermantel geïnstalleerd op een boorplatform van TotalEnergies in de Noordzee. Watermantels zijn een cruciaal element voor de beheersing van de koolwaterstofwinning in putten in aanbouw. ​​De voordelen van additieve productie zijn in dit geval een kortere doorlooptijd en een 45% lagere uitstoot in vergelijking met traditioneel gesmede watermantels.
Een andere businesscase voor additieve productie is de reductie van dure gereedschappen. Phone Scope heeft digiscopingadapters ontwikkeld voor apparaten die de camera van je telefoon verbinden met een telescoop of microscoop. Elk jaar komen er nieuwe telefoons uit, waardoor bedrijven een nieuwe reeks adapters moeten uitbrengen. Door AM te gebruiken, kan een bedrijf besparen op dure gereedschappen die vervangen moeten worden wanneer er nieuwe telefoons op de markt komen.
Zoals bij elk proces of elke technologie mag additieve productie niet worden gebruikt omdat het als nieuw of anders wordt beschouwd. Dit is bedoeld om de productontwikkeling en/of productieprocessen te verbeteren. Het moet waarde toevoegen. Voorbeelden van andere businesscases zijn onder andere maatwerkproducten en mass customization, complexe functionaliteit, geïntegreerde onderdelen, minder materiaal en gewicht, en verbeterde prestaties.
Om AM zijn groeipotentieel te laten realiseren, moeten uitdagingen worden aangepakt. Voor de meeste productietoepassingen moet het proces betrouwbaar en reproduceerbaar zijn. De daaropvolgende methoden voor het automatiseren van het verwijderen van materiaal van onderdelen en steunen en de nabewerking zullen hierbij helpen. Automatisering verhoogt ook de productiviteit en verlaagt de kosten per onderdeel.
Een van de meest interessante gebieden is automatisering van nabewerking, zoals poederverwijdering en afwerking. Door het proces van massaproductie van applicaties te automatiseren, kan dezelfde technologie duizenden keren worden herhaald. Het probleem is dat specifieke automatiseringsmethoden kunnen variëren per onderdeeltype, grootte, materiaal en proces. De nabewerking van geautomatiseerde tandkronen verschilt bijvoorbeeld sterk van de verwerking van raketmotoronderdelen, hoewel beide van metaal kunnen zijn.
Omdat onderdelen geoptimaliseerd zijn voor AM, worden er vaak geavanceerdere functies en interne kanalen toegevoegd. Voor PBF is het hoofddoel om 100% van het poeder te verwijderen. Solukon produceert automatische poederverwijderingssystemen. Het bedrijf heeft een technologie ontwikkeld genaamd Smart Powder Recovery (SRP), die metalen onderdelen die nog aan de bouwplaat bevestigd zijn, roteert en trilt. De rotatie en vibratie worden aangestuurd door het CAD-model van het onderdeel. Door de onderdelen nauwkeurig te bewegen en te schudden, stroomt het opgevangen poeder bijna als een vloeistof. Deze automatisering vermindert handmatige arbeid en kan de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de poederverwijdering verbeteren.
De problemen en beperkingen van handmatige poederverwijdering kunnen de haalbaarheid van AM-gebruik voor massaproductie beperken, zelfs in kleine hoeveelheden. Solukon-systemen voor het verwijderen van metaalpoeder kunnen in een inerte atmosfeer werken en ongebruikt poeder verzamelen voor hergebruik in AM-machines. Solukon voerde een klantonderzoek uit en publiceerde in december 2021 een studie waaruit bleek dat de twee grootste zorgen arbeidsgezondheid en reproduceerbaarheid zijn.
Het handmatig verwijderen van poeder uit PBF-harsstructuren kan tijdrovend zijn. Bedrijven zoals DyeMansion en PostProcess Technologies bouwen nabewerkingssystemen om poeder automatisch te verwijderen. Veel onderdelen voor additieve productie kunnen in een systeem worden geladen dat het medium omkeert en uitwerpt om overtollig poeder te verwijderen. HP heeft een eigen systeem dat naar verluidt in 20 minuten poeder uit de bouwkamer van de Jet Fusion 5200 verwijdert. Het systeem slaat ongesmolten poeder op in een aparte container voor hergebruik of recycling voor andere toepassingen.
Bedrijven kunnen profiteren van automatisering als deze kan worden toegepast op de meeste nabewerkingsstappen. DyeMansion biedt systemen voor poederverwijdering, oppervlaktevoorbereiding en lakken. Het PowerFuse S-systeem laadt de onderdelen, stoomt de gladde onderdelen en laadt ze weer uit. Het bedrijf levert een roestvrijstalen rek voor het ophangen van onderdelen, wat handmatig gebeurt. Het PowerFuse S-systeem kan een oppervlak creëren dat vergelijkbaar is met een spuitgietmatrijs.
De grootste uitdaging voor de industrie is het begrijpen van de werkelijke mogelijkheden die automatisering biedt. Als er een miljoen polymeeronderdelen moeten worden gemaakt, zijn traditionele giet- of gietprocessen mogelijk de beste oplossing, hoewel dit per onderdeel verschilt. AM is vaak beschikbaar voor de eerste productierun in de gereedschapsproductie en -testfase. Door geautomatiseerde nabewerking kunnen duizenden onderdelen betrouwbaar en reproduceerbaar worden geproduceerd met AM, maar dit is onderdeelspecifiek en vereist mogelijk een oplossing op maat.
AM heeft niets met de industrie te maken. Veel organisaties presenteren interessante onderzoeks- en ontwikkelingsresultaten die kunnen leiden tot de goede werking van producten en diensten. In de lucht- en ruimtevaart produceert Relativity Space een van de grootste systemen voor additieve metaalproductie met behulp van gepatenteerde DED-technologie. Het bedrijf hoopt dat deze technologie gebruikt zal worden voor de productie van de meeste raketten. De Terran 1-raket kan een lading van 1250 kg in een lage baan om de aarde brengen. Relativity is van plan medio 2022 een testraket te lanceren en werkt al aan een grotere, herbruikbare raket, de Terran R.
De Terran 1- en R-raketten van Relativity Space zijn een innovatieve manier om een ​​nieuwe kijk te creëren op hoe toekomstige ruimtevaart eruit zou kunnen zien. Ontwerp en optimalisatie voor additieve productie wekten de interesse in deze ontwikkeling. Het bedrijf beweert dat deze methode het aantal onderdelen met een factor 100 vermindert ten opzichte van traditionele raketten. Het bedrijf beweert ook dat het raketten binnen 60 dagen uit ruwe materialen kan produceren. Dit is een uitstekend voorbeeld van hoe meerdere onderdelen in één kunnen worden gecombineerd en de toeleveringsketen aanzienlijk kan worden vereenvoudigd.
In de tandheelkundige industrie wordt additieve productie gebruikt om kronen, bruggen, chirurgische boorsjablonen, gedeeltelijke prothesen en aligners te maken. Align Technology en SmileDirectClub gebruiken 3D-printing om onderdelen te produceren voor thermoforming aligners van transparant kunststof. Align Technology, fabrikant van Invisalign-producten, gebruikt veel van de fotopolymerisatiesystemen in 3D Systems-baden. In 2021 gaf het bedrijf aan dat het meer dan 10 miljoen patiënten had behandeld sinds het in 1998 de FDA-goedkeuring kreeg. Als de behandeling van een gemiddelde patiënt uit 10 aligners bestaat, wat een lage schatting is, heeft het bedrijf 100 miljoen of meer AM-onderdelen geproduceerd. FRP-onderdelen zijn moeilijk te recyclen omdat ze thermohardend zijn. SmileDirectClub gebruikt het HP Multi Jet Fusion (MJF)-systeem om thermoplastische onderdelen te produceren die kunnen worden gerecycled voor andere toepassingen.
Historisch gezien was VPP niet in staat om dunne, transparante onderdelen met sterke eigenschappen te produceren voor gebruik als orthodontische apparatuur. In 2021 brachten LuxCreo en Graphy een mogelijke oplossing uit. Sinds februari heeft Graphy FDA-goedkeuring voor het direct 3D-printen van tandheelkundige apparatuur. Als u ze direct print, wordt het complete proces als korter, eenvoudiger en mogelijk goedkoper beschouwd.
Een vroege ontwikkeling die veel media-aandacht kreeg, was het gebruik van 3D-printen voor grootschalige bouwtoepassingen, zoals woningen. Vaak worden de muren van een huis geprint door middel van extrusie. Alle andere onderdelen van het huis, waaronder vloeren, plafonds, daken, trappen, deuren, ramen, apparaten, kasten en aanrechtbladen, zijn gemaakt met traditionele methoden en materialen. 3D-geprinte muren kunnen de kosten voor de installatie van elektriciteit, verlichting, sanitair, leidingen en ventilatieopeningen voor verwarming en airconditioning verhogen. Het afwerken van de binnen- en buitenkant van een betonnen muur is lastiger dan bij een traditioneel ontwerp. Het moderniseren van een huis met 3D-geprinte muren is ook een belangrijke overweging.
Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory onderzoeken hoe energie kan worden opgeslagen in 3D-geprinte muren. Door tijdens de bouw leidingen in de muur te plaatsen, kan er water doorheen stromen voor verwarming en koeling. Dit R&D-project is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling. Dit R&D-project is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling.Dit onderzoeksproject is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling.Dit onderzoeksproject is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling.
De meesten van ons zijn nog niet bekend met de economische aspecten van 3D-printen van bouwonderdelen of andere grote objecten. De technologie is gebruikt voor de productie van bruggen, luifels, parkbanken en decoratieve elementen voor gebouwen en de buitenomgeving. Er wordt aangenomen dat de voordelen van additieve productie op kleine schaal (van enkele centimeters tot enkele meters) ook van toepassing zijn op grootschalige 3D-printing. De belangrijkste voordelen van additieve productie zijn onder andere het creëren van complexe vormen en functies, het verminderen van het aantal onderdelen, het verminderen van materiaal en gewicht, en het verhogen van de productiviteit. Als AM geen waarde toevoegt, moet het nut ervan in twijfel worden getrokken.
In oktober 2021 verwierf Stratasys het resterende belang van 55% in Xaar 3D, een dochteronderneming van de Britse fabrikant van industriële inkjetprinters Xaar. De polymeer-PBF-technologie van Stratasys, genaamd Selective Absorbion Fusion, is gebaseerd op Xaar-inkjetprintkoppen. De Stratasys H350 concurreert met het HP MJF-systeem.
De overname van Desktop Metal was indrukwekkend. In februari 2021 nam het bedrijf Envisiontec over, een al lang bestaande fabrikant van industriële additieve productiesystemen. In mei 2021 nam het bedrijf Adaptive3D over, een ontwikkelaar van flexibele VPP-polymeren. In juli 2021 nam Desktop Metal Aerosint over, een ontwikkelaar van poedercoating-recoatingprocessen voor meerdere materialen. De grootste overname vond plaats in augustus, toen Desktop Metal concurrent ExOne overnam voor $ 575 miljoen.
De overname van ExOne door Desktop Metal brengt twee gerenommeerde fabrikanten van metalen BJT-systemen samen. Over het algemeen heeft de technologie nog niet het niveau bereikt dat velen denken. Bedrijven blijven zich richten op problemen zoals herhaalbaarheid, betrouwbaarheid en het begrijpen van de oorzaak van problemen zodra deze zich voordoen. Desondanks is er, als de problemen worden opgelost, nog steeds ruimte voor de technologie om grotere markten te bereiken. In juli 2021 meldde 3DEO, een dienstverlener die gebruikmaakt van een eigen 3D-printsysteem, dat het een miljoen exemplaren naar klanten had verzonden.
Software- en cloudplatformontwikkelaars hebben een aanzienlijke groei gezien in de additieve productiesector. Dit geldt met name voor prestatiemanagementsystemen (MES) die de AM-waardeketen volgen. 3D Systems nam Oqton in september 2021 over voor $ 180 miljoen. Oqton, opgericht in 2017, biedt cloudgebaseerde oplossingen om de workflow te verbeteren en de AM-efficiëntie te verhogen. Materialize nam Link3D in november 2021 over voor $ 33,5 miljoen. Net als Oqton volgt het cloudplatform van Link3D werk en vereenvoudigt het de AM-workflow.
Een van de laatste overnames in 2021 is de overname van Wohlers Associates door ASTM International. Samen werken ze eraan om het merk Wohlers te benutten en zo de bredere acceptatie van AM wereldwijd te ondersteunen. Via het ASTM AM Center of Excellence zal Wohlers Associates Wohlers-rapporten en andere publicaties blijven produceren, en daarnaast adviesdiensten, marktanalyses en trainingen aanbieden.
De additieve productiesector is volwassen geworden en veel industrieën gebruiken de technologie voor een breed scala aan toepassingen. 3D-printen zal de meeste andere vormen van productie echter niet vervangen. In plaats daarvan wordt het gebruikt om nieuwe soorten producten en bedrijfsmodellen te creëren. Organisaties gebruiken AM om het gewicht van onderdelen te verminderen, doorlooptijden en gereedschapskosten te verkorten en de personalisatie en prestaties van producten te verbeteren. De verwachting is dat de additieve productiesector haar groei zal voortzetten met de opkomst van nieuwe bedrijven, producten, diensten, toepassingen en use cases, vaak in razend tempo.