Produkcja addytywna, znana również jako druk 3D, ewoluowała przez prawie 35 lat od czasu jej komercyjnego zastosowania. Przemysł lotniczy, motoryzacyjny, obronny, energetyczny, transportowy, medyczny, stomatologiczny i konsumencki wykorzystuje produkcję addytywną w szerokim zakresie zastosowań.
Przy tak szerokim przyjęciu jasne jest, że produkcja addytywna nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. Zgodnie z normą terminologiczną ISO/ASTM 52900, niemal wszystkie komercyjne systemy produkcji addytywnej mieszczą się w jednej z siedmiu kategorii procesów. Należą do nich wytłaczanie materiału (MEX), fotopolimeryzacja kąpieli (VPP), stapianie w złożu proszkowym (PBF), natryskiwanie spoiwa (BJT), natryskiwanie materiału (MJT), osadzanie energii kierowanej (DED) i laminowanie arkuszy (SHL). Tutaj są one posortowane według popularności na podstawie sprzedaży jednostkowej.
Coraz większa liczba profesjonalistów z branży, w tym inżynierów i menedżerów, uczy się, kiedy produkcja addytywna może pomóc w ulepszeniu produktu lub procesu, a kiedy nie. Historycznie rzecz biorąc, główne inicjatywy wdrażania produkcji addytywnej pochodziły od inżynierów doświadczonych w tej technologii. Kadra zarządzająca widzi więcej przykładów, w jaki sposób 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 przedsiębiorców w zakresie rozwoju produktów i możliwości produkcyjnych.
Produkcja addytywna 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 produkcji masowej, w tym do opracowywania niestandardowych produktów.
W zastosowaniach lotniczych waga jest głównym czynnikiem. Według Marshall Space Flight Center NASA umieszczenie ładunku o masie 0,45 kg na orbicie okołoziemskiej kosztuje około 10 000 USD. Zmniejszenie wagi satelitów może zaoszczędzić na kosztach startu. Załączony obraz przedstawia metalową część AM Swissto12, która łączy kilka falowodów w jedną część. Dzięki AM waga jest zmniejszona do mniej niż 0,08 kg.
Produkcja addytywna jest stosowana w całym łańcuchu wartości w branży energetycznej. Dla niektórych firm uzasadnieniem biznesowym stosowania AM jest szybka iteracja projektów w celu stworzenia najlepszego możliwego produktu w najkrótszym czasie. W branży naftowej i gazowej uszkodzone części lub zespoły mogą kosztować tysiące dolarów lub więcej w utraconej produktywności na godzinę. Wykorzystanie AM do przywrócenia operacji może być szczególnie atrakcyjne.
Główny producent systemów DED, MX3D, wypuścił prototyp narzędzia do naprawy rur. Uszkodzony rurociąg może kosztować od 100 000 do 1 000 000 euro (113 157–1 131 570 dolarów) dziennie, według firmy. Osprzęt pokazany na następnej stronie wykorzystuje część CNC jako ramę i wykorzystuje DED do spawania obwodu rury. AM zapewnia wysokie wskaźniki osadzania przy minimalnych odpadach, podczas gdy CNC zapewnia wymaganą precyzję.
W 2021 r. na platformie wiertniczej TotalEnergies na Morzu Północnym zainstalowano drukowaną w technologii 3D obudowę wodną. Płaszcze wodne są krytycznym elementem stosowanym do kontrolowania odzysku węglowodorów w budowanych odwiertach. W tym przypadku korzyściami z wykorzystania produkcji addytywnej są skrócone czasy realizacji i zmniejszone emisje o 45% w porównaniu z tradycyjnymi kutymi płaszczami wodnymi.
Innym biznesowym argumentem za produkcją addytywną jest redukcja drogich narzędzi. Phone Scope opracował adaptery digiscopingowe do urządzeń, które łączą aparat telefonu z teleskopem lub mikroskopem. Nowe telefony są wydawane co roku, co wymaga od firm wypuszczenia nowej linii adapterów. Dzięki AM firma może zaoszczędzić pieniądze na drogich narzędziach, które trzeba wymienić, gdy wydawane są nowe telefony.
Podobnie jak w przypadku każdego procesu lub technologii, nie należy stosować produkcji addytywnej, ponieważ jest ona uważana za nową lub inną. Ma to na celu ulepszenie procesów rozwoju produktu i/lub produkcji. Powinna ona dodawać wartości. Przykłady innych przypadków biznesowych obejmują produkty niestandardowe i masową personalizację, złożoną funkcjonalność, zintegrowane części, mniej materiału i wagi oraz lepszą wydajność.
Aby AM mogło zrealizować swój potencjał wzrostu, należy sprostać wyzwaniom. W przypadku większości zastosowań produkcyjnych proces musi być niezawodny i powtarzalny. Pomogą w tym następujące metody automatyzacji usuwania materiału z części i podpór oraz post-processingu. Automatyzacja zwiększa również produktywność i obniża koszt na część.
Jednym z obszarów największego zainteresowania jest automatyzacja post-processingu, 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 części, rozmiaru, materiału i procesu. Na przykład post-processing zautomatyzowanych koron dentystycznych bardzo różni się od przetwarzania części silników rakietowych, chociaż oba 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 zwaną Smart Powder Recovery (SRP), która obraca i wibruje metalowe części, które są nadal przymocowane do płyty montażowej. Obrót i wibracje są kontrolowane przez model CAD części. Dzięki precyzyjnemu przesuwaniu i potrząsaniu częściami, wychwycony proszek płynie niemal jak ciecz. Ta automatyzacja zmniejsza ręczną pracę i może poprawić niezawodność i powtarzalność usuwania proszku.
Problemy i ograniczenia ręcznego usuwania proszku mogą ograniczyć wykonalność stosowania AM do produkcji masowej, nawet w małych ilościach. Systemy usuwania proszku metalowego Solukon mogą działać 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., pokazujące, że dwoma największymi problemami są zdrowie zawodowe i powtarzalność.
Ręczne usuwanie proszku ze struktur z żywicy PBF może być czasochłonne. Firmy takie jak DyeMansion i PostProcess Technologies budują systemy postprocessingu, aby automatycznie usuwać proszek. Wiele części do produkcji addytywnej można załadować do systemu, który odwraca i wyrzuca medium, aby usunąć nadmiar proszku. HP ma własny system, który podobno usuwa proszek z komory roboczej Jet Fusion 5200 w ciągu 20 minut. System przechowuje niestopiony proszek w oddzielnym pojemniku w celu ponownego użycia lub recyklingu w innych zastosowaniach.
Firmy mogą skorzystać z automatyzacji, jeśli można ją zastosować do większości etapów postprodukcji. DyeMansion oferuje systemy do usuwania proszku, przygotowania powierzchni i malowania. System PowerFuse S ładuje części, paruje gładkie części i rozładowuje je. Firma dostarcza regał ze stali nierdzewnej do zawieszania części, co jest wykonywane ręcznie. System PowerFuse S może wytwarzać powierzchnię podobną do formy wtryskowej.
Największym wyzwaniem stojącym przed branżą jest zrozumienie rzeczywistych możliwości, jakie oferuje automatyzacja. Jeśli trzeba wyprodukować 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 narzędzi i testowaniu. Dzięki zautomatyzowanemu postprocessingowi 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 przedstawia interesujące wyniki badań i rozwoju, które mogą prowadzić do prawidłowego funkcjonowania produktów i usług. W przemyśle lotniczym Relativity Space produkuje jeden z największych systemów produkcji addytywnej metali przy użyciu zastrzeżonej technologii DED, która, jak ma nadzieję firma, będzie wykorzystywana do produkcji większości jej rakiet. Jej rakieta Terran 1 może dostarczyć ładunek o masie 1250 kg na niską orbitę okołoziemską. Relativity planuje wystrzelić rakietę testową w połowie 2022 r. i już planuje większą, wielokrotnego użytku rakietę 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. Projektowanie i optymalizacja pod kątem produkcji addytywnej wzbudziły zainteresowanie tym rozwojem. Firma twierdzi, że ta metoda zmniejsza liczbę części o 100 razy w porównaniu z tradycyjnymi rakietami. Firma twierdzi również, że może produkować rakiety z surowców w ciągu 60 dni. To doskonały przykład łączenia wielu części w jedną i znacznego uproszczenia łańcucha dostaw.
W branży stomatologicznej produkcja addytywna jest stosowana do produkcji koron, mostów, szablonów do wiercenia chirurgicznego, częściowych protez zębowych i nakładek. Align Technology i SmileDirectClub wykorzystują druk 3D do produkcji części do termoformowania przezroczystych plastikowych nakładek. Align Technology, producent produktów marki Invisalign, wykorzystuje wiele systemów fotopolimeryzacji w kąpielach 3D Systems. W 2021 r. firma poinformowała, że ​​od czasu otrzymania zatwierdzenia FDA w 1998 r. wyleczyła ponad 10 milionów pacjentów. Jeśli typowe leczenie pacjenta obejmuje 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 w celu wykorzystania w innych zastosowaniach.
Historycznie rzecz biorąc, VPP nie było w stanie produkować cienkich, przezroczystych części o właściwościach wytrzymałościowych do stosowania jako aparaty ortodontyczne. W 2021 r. LuxCreo i Graphy wypuściły możliwe rozwiązanie. Od lutego Graphy ma zatwierdzenie FDA na bezpośredni druk 3D aparatów stomatologicznych. Jeśli drukujesz je bezpośrednio, proces od początku do końca jest uważany za krótszy, łatwiejszy i potencjalnie mniej kosztowny.
Wczesnym osiągnięciem, które przyciągnęło uwagę mediów, było wykorzystanie druku 3D w zastosowaniach budowlanych na dużą skalę, takich jak budownictwo mieszkaniowe. Często ściany domu są drukowane metodą wytłaczania. Wszystkie inne części domu zostały wykonane przy użyciu tradycyjnych metod i materiałów, w tym podłóg, sufitów, dachów, schodów, drzwi, okien, urządzeń, szafek i blatów. Ściany drukowane w technologii 3D mogą zwiększyć koszty instalacji elektrycznej, oświetlenia, hydrauliki, kanałów wentylacyjnych i otworów wentylacyjnych do ogrzewania i klimatyzacji. Wykończenie wnętrza i zewnętrza ściany betonowej jest trudniejsze niż w przypadku tradycyjnego projektu ściany. Modernizacja domu za pomocą ścian drukowanych w technologii 3D jest również ważnym czynnikiem.
Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory badają, jak magazynować energię w drukowanych w technologii 3D ścianach. Poprzez wkładanie rur do ściany podczas budowy, woda może przepływać przez nią w celu ogrzewania i chłodzenia. Ten projekt badawczo-rozwojowy jest interesujący i innowacyjny, lecz nadal znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Ten projekt badawczo-rozwojowy 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.Projekt badawczy jest interesujący i innowacyjny, lecz nadal znajduje się na wczesnym etapie rozwoju.
Większość z nas nie jest jeszcze zaznajomiona z ekonomiką drukowania 3D części budynków lub innych dużych obiektów. Technologia ta została wykorzystana do produkcji niektórych mostów, markiz, ławek parkowych i elementów dekoracyjnych budynków i środowiska zewnętrznego. Uważa się, że zalety wytwarzania addytywnego na małą skalę (od kilku centymetrów do kilku metrów) mają zastosowanie do drukowania 3D na dużą skalę. Główne korzyści z wykorzystania wytwarzania addytywnego obejmują tworzenie złożonych kształtów i cech, zmniejszanie liczby części, zmniejszanie materiału i wagi oraz zwiększanie produktywności. Jeśli AM nie dodaje wartości, należy kwestionować jego przydatność.
W październiku 2021 r. Stratasys przejął pozostałe 55% udziałów w Xaar 3D, spółce zależnej brytyjskiego producenta przemysłowych drukarek atramentowych Xaar. Technologia polimerowa PBF firmy Stratasys, zwana Selective Absorbion Fusion, opiera się na głowicach drukujących Xaar. Maszyna Stratasys H350 konkuruje z systemem HP MJF.
Zakup Desktop Metal był imponujący. W lutym 2021 r. firma przejęła Envisiontec, wieloletniego producenta przemysłowych systemów produkcji addytywnej. W maju 2021 r. firma przejęła Adaptive3D, twórcę elastycznych polimerów VPP. W lipcu 2021 r. Desktop Metal przejął Aerosint, twórcę procesów ponownego powlekania wielomateriałowego 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, w jaki wielu wierzy. Firmy nadal zajmują się takimi kwestiami, jak powtarzalność, niezawodność i zrozumienie przyczyn źródłowych problemów w miarę ich powstawania. Mimo to, jeśli problemy zostaną rozwiązane, technologia nadal ma szansę dotrzeć do większych rynków. W lipcu 2021 r. 3DEO, dostawca usług wykorzystujący zastrzeżony system drukowania 3D, poinformował, że dostarczył klientom milionowy egzemplarz.
Deweloperzy oprogramowania i platform chmurowych odnotowali znaczny wzrost w branży produkcji addytywnej. Dotyczy to w szczególności systemów zarządzania wydajnością (MES), które śledzą łańcuch wartości AM. 3D Systems zgodziło się przejąć Oqton we wrześniu 2021 r. za 180 mln USD. Założona w 2017 r. firma Oqton zapewnia rozwiązania oparte na chmurze w celu usprawnienia przepływu pracy i zwiększenia wydajności AM. Materialize przejęła Link3D w listopadzie 2021 r. za 33,5 mln USD. Podobnie jak Oqton, platforma chmurowa Link3D śledzi pracę i upraszcza przepływ pracy AM.
Jednym z ostatnich przejęć w 2021 r. jest przejęcie Wohlers Associates przez ASTM International. Wspólnie pracują nad wykorzystaniem marki Wohlers w celu wsparcia szerszej adopcji AM na całym świecie. Poprzez ASTM AM Center of Excellence, Wohlers Associates będzie nadal tworzyć raporty Wohlers i inne publikacje, a także świadczyć usługi doradcze, analizy rynku i szkolenia.
Przemysł produkcji addytywnej dojrzał, a wiele branż wykorzystuje tę technologię w szerokim zakresie zastosowań. Jednak druk 3D nie zastąpi większości innych form produkcji. Zamiast tego jest on wykorzystywany do tworzenia nowych typów produktów i modeli biznesowych. Organizacje wykorzystują AM do zmniejszenia wagi części, skrócenia czasu realizacji i kosztów narzędzi oraz poprawy personalizacji i wydajności produktów. Oczekuje się, że przemysł produkcji addytywnej będzie kontynuował swoją trajektorię wzrostu, a nowe firmy, produkty, usługi, zastosowania i przypadki użycia będą się pojawiać często z zawrotną prędkością.