Additieve productie, ook wel bekend als 3D-printen, heeft zich de afgelopen bijna 35 jaar, sinds de commerciële toepassing ervan, voortdurend ontwikkeld. De lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie, defensie, energiesector, transportsector, medische sector, tandheelkunde en consumentenindustrie maken gebruik van additieve productie voor een breed scala aan toepassingen.
Met zo'n wijdverspreide toepassing is het duidelijk dat additive manufacturing geen universele oplossing is. Volgens de ISO/ASTM 52900-terminologiestandaard vallen bijna alle commerciële additive manufacturing-systemen in een van de zeven procescategorieën. Deze omvatten materiaalextrusie (MEX), badfotopolymerisatie (VPP), poederbedfusie (PBF), bindmiddelspuiten (BJT), materiaalspuiten (MJT), gerichte energieafzetting (DED) en plaatlaminering (SHL). Hieronder staan ​​ze gerangschikt op populariteit op basis van verkochte aantallen.
Een groeiend aantal professionals in de industrie, waaronder ingenieurs en managers, leert wanneer additive manufacturing (3D-printen) kan bijdragen aan de verbetering van een product of proces en wanneer niet. Historisch gezien kwamen grote initiatieven voor de implementatie van additive manufacturing van ingenieurs met ervaring in de technologie. Het management ziet steeds meer voorbeelden van hoe additive manufacturing de productiviteit kan verhogen, doorlooptijden kan verkorten en nieuwe zakelijke kansen kan creëren. 3D-printen zal de meeste traditionele productiemethoden niet vervangen, maar zal wel een integraal onderdeel worden van het instrumentarium voor productontwikkeling en -productie van ondernemers.
Additieve productie kent een breed scala aan toepassingen, van microfluidica 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 toepassing. De meest voorkomende redenen zijn conceptuele modellering, ontwerpverificatie en geschiktheids- en functionaliteitsverificatie. Steeds meer bedrijven gebruiken het om gereedschappen en toepassingen voor massaproductie te creëren, inclusief de ontwikkeling van maatwerkproducten.
Voor ruimtevaarttoepassingen is gewicht een belangrijke factor. Het kost ongeveer $10.000 om een ​​lading van 0,45 kg in een baan om de aarde te brengen, volgens NASA's Marshall Space Flight Center. Het verminderen van het gewicht van satellieten kan de lanceerkosten verlagen. De bijgevoegde afbeelding toont een Swissto12 metalen AM-onderdeel dat meerdere golfgeleiders in één onderdeel combineert. Dankzij AM is het gewicht teruggebracht tot minder dan 0,08 kg.
Additieve productie wordt in de hele waardeketen van de energie-industrie gebruikt. Voor sommige bedrijven is de zakelijke reden om AM te gebruiken het snel herhalen 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 aan verloren productiviteit per uur kosten. Het gebruik van AM om de productie te herstellen kan dan bijzonder aantrekkelijk zijn.
MX3D, een grote fabrikant van DED-systemen, heeft een prototype van een pijpreparatietool uitgebracht. Volgens het bedrijf kunnen de kosten voor een beschadigde pijpleiding oplopen tot tussen de €100.000 en €1.000.000 (ongeveer $113.157 tot $1.131.570) per dag. De tool, die op de volgende pagina te zien is, gebruikt een CNC-onderdeel als frame en last de omtrek van de pijp met behulp van DED. Additieve fabricage (AM) zorgt voor een hoge afzettingssnelheid met minimale verspilling, terwijl CNC de vereiste precisie levert.
In 2021 werd een 3D-geprinte watermantel geïnstalleerd op een boorplatform van TotalEnergies in de Noordzee. Watermantels zijn een cruciaal element voor het beheersen van de koolwaterstofwinning in boorgaten in aanbouw. ​​In dit geval zijn de voordelen van 3D-printen kortere doorlooptijden en een 45% lagere uitstoot in vergelijking met traditionele, gesmede watermantels.
Een ander zakelijk argument voor additive manufacturing is de besparing op dure gereedschappen. Phone Scope heeft digiscoping-adapters ontwikkeld voor apparaten waarmee de camera van je telefoon kan worden aangesloten op een telescoop of microscoop. Elk jaar komen er nieuwe telefoons op de markt, waardoor bedrijven een nieuwe lijn adapters moeten uitbrengen. Door additive manufacturing te gebruiken, kan een bedrijf geld besparen op dure gereedschappen die vervangen moeten worden wanneer er nieuwe telefoons verschijnen.
Net als bij elk ander proces of elke andere technologie, moet additive manufacturing niet worden ingezet omdat het nieuw of anders is. Het doel is om productontwikkeling en/of productieprocessen te verbeteren. Het moet waarde toevoegen. Voorbeelden van andere zakelijke toepassingen zijn maatwerkproducten en massamaatwerk, complexe functionaliteit, geïntegreerde onderdelen, minder materiaal en gewicht, en verbeterde prestaties.
Om het groeipotentieel van AM volledig te benutten, moeten er uitdagingen worden aangepakt. Voor de meeste productieprocessen is betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid essentieel. De daaropvolgende automatisering van materiaalverwijdering van onderdelen en steunstructuren, evenals de nabewerking, zal hierbij helpen. Automatisering verhoogt bovendien de productiviteit en verlaagt de kosten per onderdeel.
Een van de meest interessante gebieden is de automatisering van nabewerkingen, zoals poederverwijdering en afwerking. Door het massaproductieproces van toepassingen te automatiseren, kan dezelfde technologie duizenden keren worden herhaald. Het probleem is echter dat specifieke automatiseringsmethoden kunnen variëren afhankelijk van het type, de grootte, het materiaal en het proces van het onderdeel. Zo is de nabewerking van geautomatiseerde tandkronen heel anders dan de nabewerking van raketmotoronderdelen, hoewel beide van metaal kunnen zijn gemaakt.
Omdat onderdelen geoptimaliseerd zijn voor additive manufacturing (AM), worden er vaak geavanceerdere functies en interne kanalen toegevoegd. Bij poederbedprinten (PBF) is het belangrijkste doel 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 laat vibreren. 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 handarbeid en kan de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de poederverwijdering verbeteren.
De problemen en beperkingen van handmatige poederverwijdering kunnen de haalbaarheid van AM voor massaproductie beperken, zelfs bij kleine hoeveelheden. De metaalpoederverwijderingssystemen van Solukon kunnen in een inerte atmosfeer werken en ongebruikt poeder opvangen voor hergebruik in AM-machines. Solukon heeft een klantonderzoek uitgevoerd en in december 2021 een studie gepubliceerd waaruit blijkt dat de twee grootste zorgen betrekking hebben op de gezondheid van de werknemers en de reproduceerbaarheid.
Het handmatig verwijderen van poeder uit PBF-harsstructuren kan tijdrovend zijn. Bedrijven zoals DyeMansion en PostProcess Technologies ontwikkelen nabewerkingssystemen om poeder automatisch te verwijderen. Veel onderdelen die met 3D-printing zijn vervaardigd, kunnen in een systeem worden geplaatst dat het medium omkeert en uitwerpt om overtollig poeder te verwijderen. HP heeft een eigen systeem dat naar verluidt binnen 20 minuten poeder uit de printkamer van de Jet Fusion 5200 verwijdert. Het systeem slaat het ongesmolten poeder op in een aparte container voor hergebruik of recycling voor andere toepassingen.
Bedrijven kunnen profiteren van automatisering als deze op de meeste nabewerkingsstappen kan worden toegepast. DyeMansion biedt systemen voor poederverwijdering, oppervlaktevoorbereiding en lakken. Het PowerFuse S-systeem laadt de onderdelen, stoomt de gladde onderdelen en lost ze. Het bedrijf levert een roestvrijstalen rek voor het ophangen van de onderdelen, wat handmatig gebeurt. Het PowerFuse S-systeem kan een oppervlak produceren dat vergelijkbaar is met dat van 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 vormprocessen wellicht de beste oplossing, hoewel dit afhangt van het onderdeel. Additieve fabricage (AM) is vaak beschikbaar voor de eerste productierun in de fase van matrijsfabricage en -testen. Door geautomatiseerde nabewerking kunnen duizenden onderdelen betrouwbaar en reproduceerbaar worden geproduceerd met behulp van 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 ruimtevaartindustrie produceert Relativity Space een van de grootste metaaladditieve productiesystemen met behulp van eigen DED-technologie, waarvan het bedrijf hoopt dat deze gebruikt zal worden voor de productie van het merendeel van zijn raketten. De Terran 1-raket kan een lading van 1250 kg in een lage baan om de aarde brengen. Relativity is van plan om medio 2022 een testraket te lanceren en werkt al aan een grotere, herbruikbare raket genaamd de Terran R.
De Terran 1- en R-raketten van Relativity Space zijn een innovatieve manier om de toekomst van ruimtevaart opnieuw vorm te geven. Het ontwerp en de optimalisatie voor additive manufacturing (3D-printen) hebben de interesse in deze ontwikkeling gewekt. Het bedrijf beweert dat deze methode het aantal onderdelen met een factor 100 vermindert in vergelijking met traditionele raketten. Bovendien claimt het bedrijf dat het raketten binnen 60 dagen kan produceren vanuit de grondstoffen. Dit is een uitstekend voorbeeld van hoe veel onderdelen tot één geheel kunnen worden samengevoegd, waardoor de toeleveringsketen aanzienlijk wordt vereenvoudigd.
In de tandheelkunde wordt additive manufacturing (3D-printing) gebruikt voor het maken van kronen, bruggen, chirurgische boormallen, partiële protheses en aligners. Align Technology en SmileDirectClub gebruiken 3D-printing om onderdelen te produceren voor het thermovormen van transparante plastic aligners. Align Technology, fabrikant van Invisalign-producten, gebruikt veel van de fotopolymerisatiesystemen in de baden van 3D Systems. In 2021 meldde het bedrijf dat het sinds de FDA-goedkeuring in 1998 meer dan 10 miljoen patiënten had behandeld. Als een gemiddelde patiëntbehandeling uit 10 aligners bestaat, wat een voorzichtige 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 wel gerecycled kunnen worden voor andere toepassingen.
Historisch gezien was VPP niet in staat om dunne, transparante onderdelen te produceren met de vereiste sterkte voor gebruik als orthodontische apparaten. In 2021 brachten LuxCreo en Graphy een mogelijke oplossing op de markt. Sinds februari heeft Graphy FDA-goedkeuring voor het direct 3D-printen van tandheelkundige apparaten. Door ze direct te printen, wordt het gehele proces als korter, eenvoudiger en mogelijk goedkoper beschouwd.
Een vroege ontwikkeling die veel media-aandacht kreeg, was het gebruik van 3D-printen voor grootschalige bouwprojecten zoals woningbouw. ​​Vaak worden de muren van een huis geprint door middel van extrusie. Alle andere onderdelen van het huis worden gemaakt met traditionele methoden en materialen, waaronder vloeren, plafonds, daken, trappen, deuren, ramen, apparaten, kasten en aanrechtbladen. 3D-geprinte muren kunnen de kosten verhogen voor de installatie van elektriciteit, verlichting, sanitair, luchtkanalen en ventilatie voor verwarming en airconditioning. Het afwerken van de binnen- en buitenkant van een betonnen muur is lastiger dan bij een traditioneel muurontwerp. 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 constructie buizen 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 ontwikkelingsstadium. Dit R&D-project is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium.Dit onderzoeksproject is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium.Dit onderzoeksproject is interessant en innovatief, maar bevindt zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium.
De meesten van ons zijn nog niet bekend met de economische aspecten van 3D-printen van bouwdelen of andere grote objecten. De technologie is al gebruikt voor de productie van bruggen, luifels, parkbanken en decoratieve elementen voor gebouwen en de openbare ruimte. Men is van mening dat de voordelen van additive manufacturing op kleine schaal (van enkele centimeters tot meerdere meters) ook gelden voor 3D-printen op grote schaal. De belangrijkste voordelen van additive manufacturing zijn het creëren van complexe vormen en details, het verminderen van het aantal onderdelen, het besparen van materiaal en gewicht, en het verhogen van de productiviteit. Als additive manufacturing geen toegevoegde waarde biedt, moet het nut ervan in twijfel worden getrokken.
In oktober 2021 verwierf Stratasys de resterende 55% van de aandelen 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 de inkjetprintkoppen van Xaar. De Stratasys H350-machine 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 additive manufacturing-systemen. In mei 2021 verwierf het bedrijf Adaptive3D, een ontwikkelaar van flexibele VPP-polymeren. In juli 2021 nam Desktop Metal Aerosint over, een ontwikkelaar van processen voor het opnieuw coaten van poedercoatings met meerdere materialen. De grootste overname vond plaats in augustus, toen Desktop Metal concurrent ExOne kocht voor 575 miljoen dollar.
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 bezighouden met problemen zoals herhaalbaarheid, betrouwbaarheid en het achterhalen van de oorzaak van problemen. Toch is er, als deze problemen eenmaal zijn opgelost, nog ruimte voor de technologie om grotere markten te bereiken. In juli 2021 meldde 3DEO, een dienstverlener die gebruikmaakt van een eigen 3D-printingsysteem, dat het zijn miljoenste BJT-systeem aan klanten had geleverd.
Software- en cloudplatformontwikkelaars hebben een aanzienlijke groei gezien in de additive manufacturing-industrie. Dit geldt met name voor prestatiemanagementsystemen (MES) die de waardeketen van AM volgen. 3D Systems nam Oqton in september 2021 over voor $ 180 miljoen. Oqton, opgericht in 2017, levert cloudgebaseerde oplossingen om de workflow te verbeteren en de efficiëntie van AM te verhogen. Materialize nam Link3D in november 2021 over voor $ 33,5 miljoen. Net als Oqton volgt het cloudplatform van Link3D de werkzaamheden en vereenvoudigt het de AM-workflow.
Een van de meest recente overnames in 2021 is de acquisitie van Wohlers Associates door ASTM International. Samen werken ze eraan om het merk Wohlers in te zetten ter ondersteuning van de bredere acceptatie van additive manufacturing (AM) wereldwijd. Via het ASTM AM Center of Excellence zal Wohlers Associates Wohlers-rapporten en andere publicaties blijven produceren, en daarnaast adviesdiensten, marktanalyses en trainingen blijven aanbieden.
De additive manufacturing-industrie is volwassen geworden en veel sectoren gebruiken de technologie voor een breed scala aan toepassingen. Maar 3D-printen zal de meeste andere vormen van productie niet vervangen. In plaats daarvan wordt het gebruikt om nieuwe soorten producten en bedrijfsmodellen te creëren. Organisaties gebruiken additive manufacturing om het gewicht van onderdelen te verminderen, doorlooptijden en gereedschapskosten te verlagen en de personalisatie en prestaties van producten te verbeteren. De additive manufacturing-industrie zal naar verwachting haar groeitraject voortzetten, met de opkomst van nieuwe bedrijven, producten, diensten, toepassingen en gebruiksscenario's, vaak in een razend tempo.