Produkcja addytywna, znana również jako druk 3D, rozwija się od prawie 35 lat od jej komercyjnego zastosowania.Przemysł lotniczy, motoryzacyjny, obronny, energetyczny, transportowy, medyczny, dentystyczny i konsumencki wykorzystuje wytwarzanie przyrostowe do szerokiego zakresu zastosowań.
Przy tak powszechnym przyjęciu oczywiste jest, że wytwarzanie przyrostowe nie jest rozwiązaniem uniwersalnym.Zgodnie z normą terminologiczną ISO/ASTM 52900, prawie wszystkie komercyjne systemy wytwarzania przyrostowego należą do jednej z siedmiu kategorii procesów.Obejmują one wytłaczanie materiału (MEX), fotopolimeryzację w kąpieli (VPP), stapianie w złożu proszkowym (PBF), natryskiwanie spoiwa (BJT), natryskiwanie materiału (MJT), ukierunkowane osadzanie energii (DED) i laminowanie arkuszy (SHL).Tutaj są one sortowane według popularności na podstawie sprzedaży jednostkowej.
Rosnąca liczba profesjonalistów z branży, w tym inżynierów i menedżerów, uczy się, kiedy wytwarzanie przyrostowe może pomóc ulepszyć produkt lub proces, a kiedy nie.W przeszłości główne inicjatywy mające na celu wdrożenie wytwarzania przyrostowego pochodziły od inżynierów doświadczonych w tej technologii.Kierownictwo widzi więcej przykładów tego, jak produkcja addytywna może poprawić produktywność, skrócić czas realizacji i stworzyć nowe możliwości biznesowe.AM nie zastąpi większości tradycyjnych form produkcji, ale stanie się częścią arsenału rozwoju produktu i możliwości produkcyjnych przedsiębiorcy.
Wytwarzanie przyrostowe ma szeroki zakres zastosowań, od mikroprzepływów po konstrukcje na dużą skalę.Korzyści z AM różnią się w zależności od branży, zastosowania i wymaganej wydajności.Organizacje muszą mieć dobre powody do wdrożenia AM, niezależnie od przypadku użycia.Najczęstsze to modelowanie koncepcyjne, weryfikacja projektu oraz weryfikacja przydatności i funkcjonalności.Coraz więcej firm używa go do tworzenia narzędzi i aplikacji do masowej produkcji, w tym do tworzenia produktów niestandardowych.
W zastosowaniach lotniczych głównym czynnikiem jest waga.Według NASA Marshall Space Flight Center umieszczenie ładunku o masie 0,45 kg na orbicie okołoziemskiej kosztuje około 10 000 USD.Zmniejszenie masy satelitów może zaoszczędzić na kosztach wystrzelenia.Na załączonym obrazku widać metalową część AM Swissto12, która łączy kilka falowodów w jedną część.Z AM waga jest zmniejszona do mniej niż 0,08 kg.
Produkcja addytywna jest stosowana w całym łańcuchu wartości w przemyśle energetycznym.W przypadku niektórych firm uzasadnieniem biznesowym korzystania z AM jest szybka iteracja projektów w celu stworzenia możliwie najlepszego produktu w jak najkrótszym czasie.W przemyśle naftowym i gazowym uszkodzone części lub zespoły mogą kosztować tysiące dolarów lub więcej w postaci utraconej produktywności na godzinę.Wykorzystanie AM do przywracania operacji może być szczególnie atrakcyjne.
Główny producent systemów DED MX3D wypuścił prototypowe narzędzie do naprawy rur.Według firmy uszkodzony rurociąg może kosztować od 100 000 do 1 000 000 euro dziennie.Osprzęt pokazany na następnej stronie wykorzystuje część CNC jako ramę i wykorzystuje DED do spawania obwodu rury.AM zapewnia wysoką wydajność stapiania przy minimalnych stratach, podczas gdy CNC zapewnia wymaganą precyzję.
W 2021 roku na platformie wiertniczej TotalEnergies na Morzu Północnym zainstalowano obudowę wodną wydrukowaną w 3D.Płaszcze wodne są kluczowym elementem służącym do kontroli wydobycia węglowodorów w budowanych odwiertach.W tym przypadku korzyści płynące z zastosowania wytwarzania przyrostowego to skrócenie czasu realizacji i zmniejszenie emisji o 45% w porównaniu z tradycyjnymi kutymi płaszczami wodnymi.
Innym uzasadnieniem biznesowym dla wytwarzania przyrostowego jest redukcja drogiego oprzyrządowania.Firma Phone Scope opracowała adaptery do digiscopingu do urządzeń łączących aparat telefonu z teleskopem lub mikroskopem.Co roku pojawiają się nowe telefony, co wymaga od firm wypuszczenia nowej linii adapterów.Korzystając z AM, firma może zaoszczędzić pieniądze na kosztownych narzędziach, które należy wymienić po wypuszczeniu na rynek nowych telefonów.
Podobnie jak w przypadku każdego procesu lub technologii, produkcja addytywna nie powinna być stosowana, ponieważ jest uważana za nową lub inną.Ma to na celu poprawę rozwoju produktu i/lub procesów produkcyjnych.Powinno dodać wartość.Przykłady innych przypadków biznesowych obejmują niestandardowe produkty i masową personalizację, złożoną funkcjonalność, zintegrowane części, mniej materiałów i mniejszą wagę oraz lepszą wydajność.
Aby AM mogła wykorzystać swój potencjał wzrostu, należy stawić czoła wyzwaniom.W przypadku większości zastosowań produkcyjnych proces musi być niezawodny i powtarzalny.Pomogą w tym kolejne metody automatyzacji usuwania materiału części i podpór oraz post-processingu.Automatyzacja zwiększa również produktywność i zmniejsza koszt części.
Jednym z obszarów największego zainteresowania jest automatyzacja obróbki końcowej, takiej jak usuwanie proszku i wykańczanie.Dzięki automatyzacji procesu masowej produkcji aplikacji ta sama technologia może być powtarzana tysiące razy.Problem polega na tym, że określone metody automatyzacji mogą się różnić w zależności od typu części, rozmiaru, materiału i procesu.Na przykład obróbka końcowa zautomatyzowanych koron dentystycznych bardzo różni się od obróbki części silników rakietowych, chociaż obie 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 jest producentem automatycznych systemów usuwania proszku.Firma opracowała technologię o nazwie Smart Powder Recovery (SRP), która obraca i wibruje metalowe części, które nadal są przymocowane do platformy roboczej.Obrót i wibracje są kontrolowane przez model CAD części.Precyzyjnie poruszając i potrząsając częściami, przechwycony proszek przepływa prawie jak ciecz.Ta automatyzacja ogranicza pracę ręczną i może poprawić niezawodność i powtarzalność usuwania proszku.
Problemy i ograniczenia związane z ręcznym usuwaniem proszku mogą ograniczać opłacalność stosowania AM w produkcji masowej, nawet w małych ilościach.Systemy usuwania proszków metalowych Solukon mogą pracować w atmosferze obojętnej i zbierać niewykorzystany proszek do ponownego użycia w maszynach AM.Firma Solukon przeprowadziła ankietę wśród klientów i opublikowała badanie w grudniu 2021 r., pokazujące, że dwa największe problemy to zdrowie w miejscu pracy i powtarzalność.
Ręczne usuwanie proszku ze struktur żywicznych PBF może być czasochłonne.Firmy takie jak DyeMansion i PostProcess Technologies budują systemy post-processingu do automatycznego usuwania proszku.Wiele części wytwarzanych przyrostowo można załadować do systemu, który odwraca i wyrzuca medium w celu usunięcia nadmiaru proszku.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 użycia lub recyklingu do innych zastosowań.
Firmy mogą odnieść korzyści z automatyzacji, jeśli można ją zastosować do większości etapów przetwarzania końcowego.DyeMansion oferuje systemy do usuwania proszku, przygotowania powierzchni i malowania.System PowerFuse S ładuje części, paruje gładkie części i rozładowuje je.Firma zapewnia stojak ze stali nierdzewnej do zawieszania części, który jest wykonywany ręcznie.System PowerFuse S może wytworzyć powierzchnię podobną do formy wtryskowej.
Największym wyzwaniem stojącym przed branżą jest zrozumienie rzeczywistych możliwości, jakie oferuje automatyzacja.Jeśli trzeba wytworzyć milion części polimerowych, najlepszym rozwiązaniem mogą być tradycyjne procesy odlewania lub formowania, chociaż zależy to od części.AM jest często dostępne dla pierwszej serii produkcyjnej w produkcji i testowaniu narzędzi.Dzięki zautomatyzowanemu przetwarzaniu końcowemu tysiące części można wyprodukować niezawodnie i powtarzalnie przy użyciu AM, ale jest to specyficzne dla części i może wymagać niestandardowego rozwiązania.
AM nie ma nic wspólnego z przemysłem.Wiele organizacji prezentuje ciekawe wyniki prac badawczo-rozwojowych, które mogą prowadzić do prawidłowego funkcjonowania produktów i usług.W przemyśle lotniczym Relativity Space produkuje jeden z największych systemów wytwarzania przyrostowego metali przy użyciu zastrzeżonej technologii DED, która, jak ma nadzieję firma, będzie wykorzystywana do produkcji większości jej rakiet.Jego rakieta Terran 1 może dostarczyć ładunek o masie 1250 kg na niską orbitę okołoziemską.Relativity planuje wystrzelenie rakiety testowej w połowie 2022 roku i już planuje większą rakietę wielokrotnego użytku o nazwie Terran R.
Rakiety Terran 1 i R firmy Relativity Space to innowacyjny sposób na ponowne wyobrażenie sobie, jak mogą wyglądać przyszłe loty kosmiczne.Zainteresowanie tym rozwojem wzbudziło projektowanie i optymalizacja pod kątem wytwarzania przyrostowego.Firma twierdzi, że ta metoda zmniejsza liczbę części 100-krotnie w porównaniu do tradycyjnych rakiet.Firma twierdzi również, że może wyprodukować rakiety z surowców w ciągu 60 dni.To świetny przykład połączenia wielu części w jedną i znacznego uproszczenia łańcucha dostaw.
W branży dentystycznej wytwarzanie przyrostowe jest wykorzystywane do wykonywania koron, mostów, szablonów chirurgicznych, protez częściowych i nakładek.Firmy Align Technology i SmileDirectClub wykorzystują druk 3D do produkcji części do formowanych termicznie nakładek z przezroczystego tworzywa sztucznego.Align Technology, producent produktów marki Invisalign, wykorzystuje wiele systemów fotopolimeryzacji w wannach 3D Systems.W 2021 roku firma podała, że ​​wyleczyła ponad 10 milionów pacjentów od czasu uzyskania zgody FDA w 1998 roku. Jeśli typowe leczenie pacjenta składa się z 10 nakładek, co jest niskim 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 do innych zastosowań.
W przeszłości firma VPP nie była w stanie wyprodukować cienkich, przezroczystych części o właściwościach wytrzymałościowych do stosowania jako aparaty ortodontyczne.W 2021 roku LuxCreo i Graphy udostępniły możliwe rozwiązanie.Od lutego Graphy posiada aprobatę FDA na bezpośrednie drukowanie 3D urządzeń dentystycznych.Jeśli drukujesz je bezpośrednio, cały proces jest uważany za krótszy, łatwiejszy i potencjalnie mniej kosztowny.
Wczesnym osiągnięciem, które wzbudziło duże zainteresowanie mediów, było wykorzystanie druku 3D w zastosowaniach budowlanych na dużą skalę, takich jak budownictwo mieszkaniowe.Często ściany domu są drukowane przez wytłaczanie.Wszystkie pozostałe części domu zostały wykonane tradycyjnymi metodami i materiałami, w tym podłogi, sufity, dachy, schody, drzwi, okna, sprzęt AGD, szafki i blaty.Ściany wydrukowane w 3D mogą zwiększyć koszty instalacji elektrycznej, oświetlenia, kanalizacji, kanałów i otworów wentylacyjnych do ogrzewania i klimatyzacji.Wykończenie wewnętrznej i zewnętrznej ściany betonowej ściany jest trudniejsze niż w przypadku tradycyjnego projektu ściany.Ważną kwestią jest również modernizacja domu za pomocą ścian wydrukowanych w 3D.
Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory badają, jak magazynować energię w ścianach wydrukowanych w 3D.Wkładając rury do ściany podczas budowy, woda może przez nią przepływać w celu ogrzewania i chłodzenia. Ten projekt badawczo-rozwojowy jest interesujący i innowacyjny, ale wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Ten projekt badawczo-rozwojowy jest interesujący i innowacyjny, ale wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.Ten projekt badawczy jest interesujący i innowacyjny, ale wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.Ten projekt badawczy jest interesujący i innowacyjny, ale wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.
Większość z nas nie jest jeszcze zaznajomiona z ekonomią drukowania 3D części budynków lub innych dużych obiektów.Technologia ta została wykorzystana do produkcji niektórych mostów, markiz, ławek parkowych oraz elementów dekoracyjnych budynków i środowiska zewnętrznego.Uważa się, że zalety wytwarzania addytywnego w małych skalach (od kilku centymetrów do kilku metrów) dotyczą druku 3D na dużą skalę.Główne korzyści wynikające z zastosowania wytwarzania przyrostowego obejmują tworzenie złożonych kształtów i cech, zmniejszenie liczby części, zmniejszenie ilości materiałów i masy oraz zwiększenie produktywności.Jeśli AM nie wnosi wartości dodanej, należy zakwestionować jego przydatność.
W październiku 2021 roku Stratasys przejął pozostałe 55% udziałów w Xaar 3D, spółce zależnej brytyjskiego producenta przemysłowych drukarek atramentowych Xaar.Technologia polimerowego PBF firmy Stratasys, zwana selektywną syntezą absorpcji, jest oparta na atramentowych głowicach drukujących firmy Xaar.Maszyna Stratasys H350 konkuruje z systemem HP MJF.
Zakup Desktop Metal był imponujący.W lutym 2021 roku firma przejęła Envisiontec, wieloletniego producenta przemysłowych systemów wytwarzania addytywnego.W maju 2021 roku firma przejęła Adaptive3D, twórcę elastycznych polimerów VPP.W lipcu 2021 r. firma Desktop Metal przejęła firmę Aerosint, firmę zajmującą się opracowywaniem wielomateriałowych procesów 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 nie osiągnęła jeszcze poziomu, w który wielu wierzy.Firmy nadal rozwiązują problemy, takie jak powtarzalność, niezawodność i zrozumienie pierwotnej przyczyny problemów w miarę ich pojawiania się.Mimo to, jeśli problemy zostaną rozwiązane, nadal jest miejsce na wejście technologii na większe rynki.W lipcu 2021 r. 3DEO, usługodawca korzystający z zastrzeżonego systemu drukowania 3D, poinformował, że wysłał milionową część do klientów.
Twórcy oprogramowania i platform chmurowych odnotowali znaczny wzrost w branży wytwarzania przyrostowego.Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku systemów zarządzania wydajnością (MES), które śledzą łańcuch wartości AM.3D Systems zgodziło się przejąć Oqton we wrześniu 2021 roku za 180 milionów dolarów.Założona w 2017 roku firma Oqton dostarcza rozwiązania oparte na chmurze, które usprawniają przepływ pracy i poprawiają wydajność AM.Materialise przejął Link3D w listopadzie 2021 roku za 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 firmy Wohlers Associates przez ASTM International.Wspólnie pracują nad wykorzystaniem marki Wohlers do wspierania szerszego przyjęcia AM na całym świecie.Za pośrednictwem ASTM AM Center of Excellence, Wohlers Associates będzie nadal tworzyć raporty Wohlers i inne publikacje, a także świadczyć usługi doradcze, analizy rynku i szkolenia.
Branża wytwarzania przyrostowego dojrzała i wiele branż wykorzystuje tę technologię do szerokiego zakresu zastosowań.Ale druk 3D nie zastąpi większości innych form produkcji.Zamiast tego służy do tworzenia nowych rodzajów produktów i modeli biznesowych.Organizacje wykorzystują technologię AM w celu zmniejszenia masy części, skrócenia czasu realizacji i kosztów narzędzi oraz poprawy personalizacji i wydajności produktów.Oczekuje się, że branża wytwarzania przyrostowego będzie kontynuować swoją trajektorię wzrostu wraz z pojawianiem się nowych firm, produktów, usług, aplikacji i przypadków użycia, często w zawrotnym tempie.