Produkcja addytywna, znana również jako druk 3D, nieustannie ewoluuje od prawie 35 lat od momentu jej komercyjnego zastosowania. Branża lotnicza, motoryzacyjna, obronna, energetyczna, transportowa, medyczna, stomatologiczna i konsumencka wykorzystuje produkcję addytywną w szerokim zakresie zastosowań.
Przy tak szerokim rozpowszechnieniu, oczywiste jest, że produkcja addytywna nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. Zgodnie z normą terminologiczną ISO/ASTM 52900, niemal wszystkie komercyjne systemy produkcji addytywnej zaliczają się do jednej z siedmiu kategorii procesów. Należą do nich: wytłaczanie materiałów (MEX), fotopolimeryzacja kąpielowa (VPP), stapianie proszków (PBF), natryskiwanie spoiwa (BJT), natryskiwanie materiałów (MJT), osadzanie z ukierunkowaną energią (DED) oraz laminowanie arkuszy (SHL). Poniżej posortowano je według popularności na podstawie sprzedaży jednostkowej.
Coraz większa liczba profesjonalistów z branży, w tym inżynierów i menedżerów, dowiaduje się, kiedy produkcja addytywna może pomóc w ulepszeniu produktu lub procesu, a kiedy nie. Tradycyjnie, główne inicjatywy wdrażania produkcji addytywnej pochodziły od inżynierów doświadczonych w tej technologii. Kadra zarządzająca dostrzega coraz więcej przykładów, jak produkcja addytywna może poprawić wydajność, skrócić czas realizacji zamówień i stworzyć nowe możliwości biznesowe. Produkcja addytywna nie zastąpi większości tradycyjnych form produkcji, ale stanie się częścią arsenału możliwości rozwoju produktu i wytwarzania dla przedsiębiorców.
Produkcja addytywna ma szeroki zakres zastosowań, od mikroprzepływów po budownictwo wielkoskalowe. Korzyści płynące z wytwarzania addytywnego różnią się w zależności od branży, zastosowania i wymaganej wydajności. Organizacje muszą mieć uzasadnione powody wdrożenia wytwarzania addytywnego, niezależnie od przypadku użycia. Najczęściej spotykane to modelowanie koncepcyjne, weryfikacja projektu oraz weryfikacja przydatności i funkcjonalności. Coraz więcej firm wykorzystuje je do tworzenia narzędzi i aplikacji do produkcji masowej, w tym do rozwoju produktów na zamówienie.
W zastosowaniach aeronautycznych masa jest kluczowym czynnikiem. Według Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla NASA, umieszczenie ładunku o masie 0,45 kg na orbicie okołoziemskiej kosztuje około 10 000 dolarów. Zmniejszenie masy satelitów może obniżyć koszty startu. Załączony obraz przedstawia metalowy element Swissto12 wykonany w technologii AM, który łączy kilka falowodów w jedną całość. Dzięki technologii AM masa została zredukowana do mniej niż 0,08 kg.
Produkcja addytywna jest wykorzystywana w całym łańcuchu wartości w branży energetycznej. Dla niektórych firm uzasadnieniem biznesowym dla AM jest szybka iteracja projektów w celu stworzenia jak najlepszego produktu w jak najkrótszym czasie. W branży naftowo-gazowej uszkodzone części lub zespoły mogą kosztować tysiące dolarów lub więcej w postaci utraconej produktywności na godzinę. Wykorzystanie AM do przywrócenia działalności operacyjnej może być szczególnie atrakcyjne.
Główny producent systemów DED, MX3D, wypuścił prototyp narzędzia do naprawy rur. Według firmy, koszt naprawy uszkodzonego rurociągu może wynosić od 100 000 do 1 000 000 euro (113 157–1 131 570 dolarów) dziennie. Urządzenie pokazane na następnej stronie wykorzystuje element CNC jako ramę i spawa obwód rury za pomocą DED. Technologia AM zapewnia wysoką wydajność osadzania przy minimalnych stratach, a CNC zapewnia wymaganą precyzję.
W 2021 roku na platformie wiertniczej TotalEnergies na Morzu Północnym zainstalowano drukowaną w technologii 3D obudowę wodną. Płaszcze wodne są kluczowym elementem kontroli wydobycia węglowodorów w budowanych odwiertach. W tym przypadku korzyści z zastosowania technologii addytywnej to skrócenie czasu realizacji i redukcja emisji o 45% w porównaniu z tradycyjnymi, kutymi płaszczami wodnymi.
Kolejnym argumentem biznesowym za drukiem addytywnym jest redukcja kosztów kosztownego oprzyrządowania. Firma Phone Scope opracowała adaptery do digiscopingu, które łączą aparat telefonu z teleskopem lub mikroskopem. Co roku pojawiają się nowe telefony, co wymusza na firmach wprowadzanie na rynek nowej linii adapterów. Dzięki wykorzystaniu technologii addytywnej (AM) firma może zaoszczędzić na kosztach kosztownego oprzyrządowania, które trzeba wymieniać przy premierze nowego telefonu.
Podobnie jak w przypadku każdego procesu lub technologii, nie należy stosować wytwarzania addytywnego, ponieważ jest ono uważane za nowe lub odmienne. Ma to na celu usprawnienie procesów rozwoju i/lub produkcji produktów. Powinno ono dodawać wartości. Przykłady innych przypadków biznesowych obejmują produkty niestandardowe i masową personalizację, złożoną funkcjonalność, zintegrowane części, mniejsze zużycie materiału i mniejszą wagę oraz lepszą wydajność.
Aby technologia AM mogła w pełni wykorzystać swój potencjał wzrostu, konieczne jest stawienie czoła wyzwaniom. W przypadku większości zastosowań produkcyjnych proces musi być niezawodny i powtarzalny. Pomogą w tym kolejne metody automatyzacji usuwania materiału z części i podpór oraz obróbki końcowej. Automatyzacja zwiększa również wydajność i obniża koszt jednostkowy części.
Jednym z obszarów największego zainteresowania jest automatyzacja postprodukcji, taka jak usuwanie proszku i wykańczanie. Dzięki automatyzacji procesu masowej produkcji aplikacji, ta sama technologia może być powtarzana tysiące razy. Problem polega na tym, że konkretne metody automatyzacji mogą się różnić w zależności od rodzaju, rozmiaru, materiału i procesu części. Na przykład, postprodukcja zautomatyzowanych koron dentystycznych znacznie różni się od obróbki części silników rakietowych, chociaż oba te procesy mogą być wykonane z metalu.
Ponieważ części są zoptymalizowane pod kątem AM, często dodawane są bardziej zaawansowane funkcje i kanały wewnętrzne. W przypadku PBF głównym celem jest usunięcie 100% proszku. Solukon produkuje automatyczne systemy usuwania proszku. Firma opracowała technologię Smart Powder Recovery (SRP), która obraca i wprawia w drgania metalowe części, które są nadal przymocowane do płyty roboczej. Obroty i drgania są kontrolowane przez model CAD części. Dzięki precyzyjnemu przesuwaniu i potrząsaniu częściami, wychwycony proszek płynie niemal jak ciecz. Ta automatyzacja redukuje nakład pracy ręcznej i może poprawić niezawodność i powtarzalność usuwania proszku.
Problemy i ograniczenia związane z ręcznym usuwaniem proszku mogą ograniczać opłacalność wykorzystania technologii AM w produkcji masowej, nawet w małych ilościach. Systemy usuwania proszku metalowego Solukon mogą pracować w atmosferze obojętnej i zbierać niewykorzystany proszek do ponownego użycia w maszynach AM. Solukon przeprowadził ankietę wśród klientów i opublikował badanie w grudniu 2021 r., z którego wynika, że ​​dwa największe problemy to zdrowie i powtarzalność produkcji.
Ręczne usuwanie proszku z konstrukcji z żywicy PBF może być czasochłonne. Firmy takie jak DyeMansion i PostProcess Technologies opracowują systemy postprocessingu, które automatycznie usuwają proszek. Wiele elementów do produkcji addytywnej można załadować do systemu, który odwraca i wyrzuca medium w celu usunięcia nadmiaru proszku. Firma HP ma własny system, który podobno usuwa proszek z komory roboczej Jet Fusion 5200 w 20 minut. System przechowuje niestopiony proszek w oddzielnym pojemniku do ponownego wykorzystania lub recyklingu w innych zastosowaniach.
Firmy mogą odnieść korzyści z automatyzacji, jeśli można ją zastosować w większości etapów obróbki końcowej. DyeMansion oferuje systemy do usuwania proszku, przygotowania powierzchni i malowania. System PowerFuse S ładuje części, paruje gładkie części i je rozładowuje. Firma dostarcza regał ze stali nierdzewnej do zawieszania części, który jest wykonywany ręcznie. System PowerFuse S pozwala uzyskać powierzchnię zbliżoną do formy wtryskowej.
Największym wyzwaniem stojącym przed branżą jest zrozumienie rzeczywistych możliwości, jakie oferuje automatyzacja. Jeśli konieczne jest wyprodukowanie miliona części polimerowych, tradycyjne procesy odlewania lub formowania mogą być najlepszym rozwiązaniem, choć zależy to od rodzaju części. Wytwarzanie przyrostowe (AM) jest często dostępne już na etapie produkcji i testowania narzędzi. Dzięki zautomatyzowanemu postprocessingowi tysiące części można wyprodukować niezawodnie i powtarzalnie, ale jest to specyficzne dla danej części i może wymagać niestandardowego rozwiązania.
AM nie ma nic wspólnego z przemysłem. Wiele organizacji prezentuje interesujące wyniki badań i rozwoju, które mogą prowadzić do prawidłowego funkcjonowania produktów i usług. W branży lotniczej i kosmicznej Relativity Space produkuje jeden z największych systemów wytwarzania przyrostowego metali, wykorzystując opatentowaną technologię DED, która – jak ma nadzieję firma – będzie wykorzystywana do produkcji większości jej rakiet. Rakieta Terran 1 może wynieść ładunek o masie 1250 kg na niską orbitę okołoziemską. Relativity planuje wystrzelenie rakiety testowej w połowie 2022 roku i już planuje większą, wielokrotnego użytku rakietę o nazwie Terran R.
Rakiety Terran 1 i R firmy Relativity Space to innowacyjny sposób na zmianę wizji przyszłych lotów kosmicznych. Projektowanie i optymalizacja pod kątem produkcji addytywnej wzbudziły zainteresowanie tym rozwiązaniem. Firma twierdzi, że ta metoda pozwala na 100-krotne zmniejszenie liczby części w porównaniu z tradycyjnymi rakietami. Firma twierdzi również, że może wyprodukować rakiety z surowców w ciągu 60 dni. To doskonały przykład połączenia wielu części w jedną całość i znacznego uproszczenia łańcucha dostaw.
W branży stomatologicznej produkcja addytywna jest wykorzystywana do produkcji koron, mostów, szablonów do wiercenia chirurgicznego, protez częściowych i nakładek. Align Technology i SmileDirectClub wykorzystują druk 3D do produkcji elementów do termoformowania przezroczystych nakładek z tworzywa sztucznego. Align Technology, producent produktów marki Invisalign, wykorzystuje wiele systemów fotopolimeryzacji w wannach 3D Systems. W 2021 roku firma poinformowała o leczeniu ponad 10 milionów pacjentów od momentu uzyskania zgody FDA w 1998 roku. Jeśli typowe leczenie pacjenta obejmuje 10 nakładek, co jest zaniżonym szacunkiem, firma wyprodukowała 100 milionów lub więcej części AM. Części FRP są trudne do recyklingu, ponieważ są termoutwardzalne. SmileDirectClub wykorzystuje system HP Multi Jet Fusion (MJF) do produkcji części termoplastycznych, które można poddać recyklingowi i wykorzystać w innych zastosowaniach.
Historycznie rzecz biorąc, VPP nie było w stanie wyprodukować cienkich, przezroczystych elementów o właściwościach wytrzymałościowych, nadających się do stosowania w aparatach ortodontycznych. W 2021 roku firmy LuxCreo i Graphy przedstawiły potencjalne rozwiązanie. Od lutego Graphy posiada aprobatę FDA do bezpośredniego druku 3D aparatów stomatologicznych. W przypadku druku bezpośredniego, proces kompleksowy jest uważany za krótszy, łatwiejszy i potencjalnie tańszy.
Jednym z pierwszych osiągnięć, które wzbudziło duże zainteresowanie mediów, było wykorzystanie druku 3D w budownictwie na dużą skalę, takim jak budownictwo mieszkaniowe. Ściany domów są często drukowane metodą ekstruzji. ​​Wszystkie pozostałe części domu, w tym podłogi, sufity, dachy, schody, drzwi, okna, urządzenia, szafki i blaty, zostały wykonane przy użyciu tradycyjnych metod i materiałów. Ściany drukowane w technologii 3D mogą generować wyższe koszty instalacji elektrycznej, oświetlenia, wodno-kanalizacyjnej, kanałów wentylacyjnych oraz wentylacji grzewczej i klimatyzacyjnej. Wykończenie wnętrza i elewacji betonowej ściany jest trudniejsze niż w przypadku tradycyjnego projektu. Modernizacja domu za pomocą ścian drukowanych w technologii 3D jest również ważnym czynnikiem.
Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory badają, jak magazynować energię w ścianach drukowanych w technologii 3D. Dzięki umieszczeniu rur w ścianie podczas budowy, woda może przepływać przez nią, ogrzewając i chłodząc. Ten projekt badawczo-rozwojowy jest interesujący i innowacyjny, lecz wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Ten projekt badawczo-rozwojowy jest interesujący i innowacyjny, lecz wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.Projekt badawczy jest interesujący i innowacyjny, lecz nadal znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.Projekt badawczy jest interesujący i innowacyjny, lecz nadal znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.
Większość z nas nie zna jeszcze ekonomii druku 3D w budownictwie, w tym w produkcji części i innych dużych obiektów. Technologia ta została wykorzystana do produkcji mostów, markiz, ławek parkowych i elementów dekoracyjnych budynków oraz przestrzeni zewnętrznej. Uważa się, że zalety wytwarzania addytywnego w małej skali (od kilku centymetrów do kilku metrów) mają zastosowanie również w druku 3D na dużą skalę. Główne korzyści płynące z wykorzystania wytwarzania addytywnego to tworzenie złożonych kształtów i elementów, redukcja liczby części, redukcja materiału i masy oraz zwiększenie wydajności. Jeśli wytwarzanie addytywne nie dodaje wartości, jego użyteczność należy zakwestionować.
W październiku 2021 roku Stratasys nabył pozostałe 55% udziałów w Xaar 3D, spółce zależnej brytyjskiego producenta przemysłowych drukarek atramentowych Xaar. Technologia polimerowego PBF firmy Stratasys, zwana Selective Absorbion Fusion, opiera się na głowicach atramentowych Xaar. Maszyna Stratasys H350 konkuruje z systemem HP MJF.
Przejęcie Desktop Metal było imponujące. W lutym 2021 roku firma przejęła Envisiontec, wieloletniego producenta przemysłowych systemów wytwarzania addytywnego. W maju 2021 roku firma przejęła Adaptive3D, producenta elastycznych polimerów VPP. W lipcu 2021 roku Desktop Metal przejął Aerosint, producenta wielu materiałów do ponownego powlekania proszkowego. Największe przejęcie miało miejsce w sierpniu, kiedy Desktop Metal kupił konkurenta ExOne za 575 milionów dolarów.
Przejęcie ExOne przez Desktop Metal łączy dwóch renomowanych producentów metalowych systemów BJT. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ta nie osiągnęła jeszcze poziomu, jaki wielu uważa za akceptowalny. Firmy nadal pracują nad takimi kwestiami, jak powtarzalność, niezawodność i zrozumienie przyczyn problemów w miarę ich pojawiania się. Mimo to, jeśli problemy zostaną rozwiązane, technologia ta nadal ma szansę na dotarcie do większych rynków. W lipcu 2021 roku firma 3DEO, dostawca usług wykorzystujący opatentowany system druku 3D, poinformowała o dostarczeniu klientom milionowego egzemplarza.
Twórcy oprogramowania i platform chmurowych odnotowali znaczny wzrost w branży wytwarzania addytywnego. Dotyczy to zwłaszcza systemów zarządzania wydajnością (MES), które śledzą łańcuch wartości AM. Firma 3D Systems zgodziła się na przejęcie Oqton we wrześniu 2021 roku za kwotę 180 milionów dolarów. Założona w 2017 roku firma Oqton oferuje rozwiązania chmurowe usprawniające przepływ pracy i podnoszące efektywność AM. Materialize przejęła Link3D w listopadzie 2021 roku za kwotę 33,5 miliona dolarów. Podobnie jak Oqton, platforma chmurowa Link3D śledzi pracę i upraszcza przepływ pracy AM.
Jednym z najnowszych przejęć w 2021 roku jest przejęcie Wohlers Associates przez ASTM International. Wspólnie pracują nad wykorzystaniem marki Wohlers do wspierania szerszego wdrażania technologii AM na całym świecie. Za pośrednictwem Centrum Doskonałości ASTM AM, Wohlers Associates będzie nadal opracowywać raporty i inne publikacje dotyczące technologii Wohlers, a także świadczyć usługi doradcze, analizy rynku i szkolenia.
Branża wytwarzania addytywnego dojrzała, a wiele branż wykorzystuje tę technologię w szerokim zakresie zastosowań. Druk 3D nie zastąpi jednak większości innych form produkcji. Zamiast tego służy do tworzenia nowych rodzajów produktów i modeli biznesowych. Organizacje wykorzystują AM do redukcji wagi części, skrócenia czasu realizacji i kosztów narzędzi oraz poprawy personalizacji i wydajności produktów. Oczekuje się, że branża wytwarzania addytywnego będzie nadal dynamicznie się rozwijać, a nowe firmy, produkty, usługi, zastosowania i przypadki użycia będą się pojawiać, często w zawrotnym tempie.