Additiv tillverkning, även känd som 3D-utskrift, har fortsatt att utvecklas i nästan 35 år sedan dess kommersiella användning. Flyg-, fordons-, försvars-, energi-, transport-, medicin-, tandvårds- och konsumentindustrin använder additiv tillverkning för en mängd olika tillämpningar.
Med en sådan utbredd användning är det tydligt att additiv tillverkning inte är en universallösning. Enligt terminologistandarden ISO/ASTM 52900 faller nästan alla kommersiella system för additiv tillverkning inom en av sju processkategorier. Dessa inkluderar materialextrudering (MEX), badfotopolymerisation (VPP), pulverbäddsfusion (PBF), bindemedelssprutning (BJT), materialsprutning (MJT), riktad energideponering (DED) och arklaminering (SHL). Här sorteras de efter popularitet baserat på enhetsförsäljning.
Ett växande antal branschfolk, inklusive ingenjörer och chefer, lär sig när additiv tillverkning kan bidra till att förbättra en produkt eller process och när den inte kan det. Historiskt sett har stora initiativ för att implementera additiv tillverkning kommit från ingenjörer med erfarenhet av tekniken. Ledningen ser fler exempel på hur additiv tillverkning kan förbättra produktiviteten, minska ledtider och skapa nya affärsmöjligheter. Additiv tillverkning kommer inte att ersätta de flesta traditionella formerna av tillverkning, utan kommer att bli en del av entreprenörens arsenal av produktutvecklings- och tillverkningskapacitet.
Additiv tillverkning har ett brett användningsområde, från mikrofluidik till storskalig konstruktion. Fördelarna med additiv tillverkning varierar beroende på bransch, tillämpning och prestandakrav. Organisationer måste ha goda skäl för att implementera additiv tillverkning, oavsett användningsfall. De vanligaste är konceptuell modellering, designverifiering samt verifiering av lämplighet och funktionalitet. Fler och fler företag använder det för att skapa verktyg och applikationer för massproduktion, inklusive utveckling av anpassade produkter.
För rymdtillämpningar är vikt en viktig faktor. Det kostar cirka 10 000 dollar att placera en nyttolast på 0,45 kg i omloppsbana runt jorden, enligt NASA:s Marshall Space Flight Center. Att minska satelliternas vikt kan spara pengar på uppskjutningskostnaderna. Den bifogade bilden visar en Swissto12-metalldel av AM som kombinerar flera vågledare i en del. Med AM minskas vikten till mindre än 0,08 kg.
Additiv tillverkning används i hela värdekedjan inom energiindustrin. För vissa företag är affärsargumentet för att använda AM att snabbt iterera projekt för att skapa bästa möjliga produkt på kortast möjliga tid. Inom olje- och gasindustrin kan skadade delar eller enheter kosta tusentals dollar eller mer i förlorad produktivitet per timme. Att använda AM för att återställa driften kan vara särskilt attraktivt.
En stor tillverkare av DED-system MX3D har släppt en prototyp för ett rörreparationsverktyg. Enligt företaget kan en skadad rörledning kosta mellan 100 000 och 1 000 000 euro (113 157–1 131 570 dollar) per dag. Fixturen som visas på nästa sida använder en CNC-del som ram och använder DED för att svetsa rörets omkrets. AM ger höga avsättningshastigheter med minimalt spill, medan CNC ger den precision som krävs.
År 2021 installerades ett 3D-printat vattenhölje på en oljerigg från TotalEnergies i Nordsjön. Vattenmantlar är ett kritiskt element som används för att kontrollera kolväteutvinning i brunnar under uppbyggnad. I detta fall är fördelarna med att använda additiv tillverkning minskade ledtider och minskade utsläpp med 45 % jämfört med traditionella smidda vattenmantlar.
Ett annat affärsargument för additiv tillverkning är minskningen av dyra verktyg. Phone Scope har utvecklat digiscoping-adaptrar för enheter som ansluter din telefons kamera till ett teleskop eller mikroskop. Nya telefoner släpps varje år, vilket kräver att företag släpper en ny serie adaptrar. Genom att använda additiv tillverkning kan ett företag spara pengar på dyra verktyg som behöver bytas ut när nya telefoner släpps.
Precis som med alla processer eller teknologier bör additiv tillverkning inte användas eftersom den anses vara ny eller annorlunda. Detta är för att förbättra produktutveckling och/eller tillverkningsprocesser. Det bör ge mervärde. Exempel på andra affärsmässiga exempel inkluderar specialanpassade produkter och massanpassning, komplex funktionalitet, integrerade delar, mindre material och vikt samt förbättrad prestanda.
För att AM ska kunna realisera sin tillväxtpotential måste utmaningar åtgärdas. För de flesta tillverkningstillämpningar måste processen vara tillförlitlig och reproducerbar. De efterföljande metoderna för att automatisera borttagning av material från delar och stöd samt efterbehandling kommer att bidra. Automatisering ökar också produktiviteten och minskar kostnaden per del.
Ett av de områden som är av största intresse är automatisering av efterbehandling, såsom pulverborttagning och efterbehandling. Genom att automatisera processen för massproduktion av applikationer kan samma teknik upprepas tusentals gånger. Problemet är att specifika automatiseringsmetoder kan variera beroende på deltyp, storlek, material och process. Till exempel är efterbehandlingen av automatiserade tandkronor mycket annorlunda än bearbetningen av raketmotordelar, även om båda kan vara tillverkade av metall.
Eftersom delar är optimerade för AM läggs ofta mer avancerade funktioner och interna kanaler till. För PBF är huvudmålet att ta bort 100 % av pulvret. Solukon tillverkar automatiska system för pulverborttagning. Företaget har utvecklat en teknik som kallas Smart Powder Recovery (SRP) som roterar och vibrerar metalldelar som fortfarande är fästa vid byggplattan. Rotation och vibration styrs av CAD-modellen av delen. Genom att exakt flytta och skaka delarna flyter det uppsamlade pulvret nästan som en vätska. Denna automatisering minskar manuellt arbete och kan förbättra tillförlitligheten och reproducerbarheten av pulverborttagningen.
Problemen och begränsningarna med manuell pulverborttagning kan begränsa möjligheten att använda AM för massproduktion, även i små mängder. Solukons system för metallpulverborttagning kan arbeta i en inert atmosfär och samla in oanvänt pulver för återanvändning i AM-maskiner. Solukon genomförde en kundundersökning och publicerade en studie i december 2021 som visade att de två största problemen är arbetsmiljö och reproducerbarhet.
Manuellt avlägsnande av pulver från PBF-hartsstrukturer kan vara tidskrävande. Företag som DyeMansion och PostProcess Technologies bygger efterbehandlingssystem för att automatiskt avlägsna pulver. Många delar för additiva tillverkningsprocesser kan laddas i ett system som inverterar och matar ut mediet för att avlägsna överflödigt pulver. HP har ett eget system som sägs avlägsna pulver från Jet Fusion 5200:s byggkammare på 20 minuter. Systemet lagrar osmält pulver i en separat behållare för återanvändning eller återvinning för andra tillämpningar.
Företag kan dra nytta av automatisering om det kan tillämpas på de flesta efterbehandlingsstegen. DyeMansion erbjuder system för pulverborttagning, ytbehandling och målning. PowerFuse S-systemet laddar delarna, ångbehandlar de släta delarna och lossar dem. Företaget tillhandahåller ett rostfritt stålställ för upphängning av delar, vilket görs för hand. PowerFuse S-systemet kan producera en yta som liknar en formsprutningsform.
Den största utmaningen för branschen är att förstå de verkliga möjligheter som automatisering erbjuder. Om en miljon polymerdelar behöver tillverkas kan traditionella gjutnings- eller formsprutningsprocesser vara den bästa lösningen, även om detta beror på delen. AM är ofta tillgängligt för den första produktionsomgången vid verktygstillverkning och testning. Genom automatiserad efterbehandling kan tusentals delar produceras tillförlitligt och reproducerbart med AM, men det är delspecifikt och kan kräva en anpassad lösning.
AM har ingenting med industrin att göra. Många organisationer presenterar intressanta forsknings- och utvecklingsresultat som kan leda till att produkter och tjänster fungerar korrekt. Inom flygindustrin producerar Relativity Space ett av de största systemen för additiv tillverkning av metaller med hjälp av egenutvecklad DED-teknik, som företaget hoppas ska användas för att tillverka majoriteten av deras raketer. Dess Terran 1-raket kan leverera en nyttolast på 1 250 kg till låg omloppsbana runt jorden. Relativity planerar att skjuta upp en testraket i mitten av 2022 och planerar redan en större, återanvändbar raket som heter Terran R.
Relativity Spaces Terran 1- och R-raketer är ett innovativt sätt att omforma hur framtida rymdfärder kan se ut. Design och optimering för additiv tillverkning väckte intresse för denna utveckling. Företaget hävdar att denna metod minskar antalet delar med 100 gånger jämfört med traditionella raketer. Företaget hävdar också att de kan producera raketer från råmaterial inom 60 dagar. Detta är ett bra exempel på hur man kombinerar många delar till en och avsevärt förenklar leveranskedjan.
Inom tandvårdsindustrin används additiv tillverkning för att tillverka kronor, broar, kirurgiska borrmallar, delproteser och tandskenor. Align Technology och SmileDirectClub använder 3D-utskrift för att producera delar till termoformning av genomskinliga plastskenor. Align Technology, tillverkare av Invisalign-produkter, använder många av fotopolymerisationssystemen i 3D Systems-bad. År 2021 uppgav företaget att de hade behandlat över 10 miljoner patienter sedan de fick FDA-godkännande 1998. Om en typisk patients behandling består av 10 tandskenor, vilket är en låg uppskattning, har företaget producerat 100 miljoner eller fler AM-delar. FRP-delar är svåra att återvinna eftersom de är härdplaster. SmileDirectClub använder HP Multi Jet Fusion (MJF)-systemet för att producera termoplastdelar som kan återvinnas för andra tillämpningar.
Historiskt sett har VPP inte kunnat producera tunna, transparenta delar med hållfasthetsegenskaper för användning som ortodontiska apparater. År 2021 släppte LuxCreo och Graphy en möjlig lösning. Från och med februari har Graphy FDA-godkännande för direkt 3D-utskrift av tandvårdsapparater. Om man skriver ut dem direkt anses hela processen vara kortare, enklare och potentiellt billigare.
En tidig utveckling som fick mycket medieuppmärksamhet var användningen av 3D-utskrift för storskaliga byggapplikationer som bostäder. Ofta trycks husets väggar genom extrudering. Alla andra delar av huset tillverkades med traditionella metoder och material, inklusive golv, tak, trappor, dörrar, fönster, apparater, skåp och bänkskivor. 3D-utskrivna väggar kan öka kostnaden för installation av el, belysning, VVS, kanalsystem och ventiler för uppvärmning och luftkonditionering. Att ytbehandla interiören och exteriören på en betongvägg är svårare än med en traditionell väggdesign. Att modernisera ett hem med 3D-utskrivna väggar är också en viktig faktor.
Forskare vid Oak Ridge National Laboratory studerar hur man lagrar energi i 3D-printade väggar. Genom att föra in rör i väggen under byggnationen kan vatten flöda genom den för uppvärmning och kylning. Detta FoU-projekt är intressant och innovativt, men det är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium. Detta FoU-projekt är intressant och innovativt, men det är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium.Detta forskningsprojekt är intressant och innovativt, men det är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium.Detta forskningsprojekt är intressant och innovativt, men fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium.
De flesta av oss är ännu inte bekanta med ekonomin bakom 3D-utskrift av byggnadsdelar eller andra stora föremål. Tekniken har använts för att producera en del broar, markiser, parkbänkar och dekorativa element för byggnader och utomhusmiljön. Man tror att fördelarna med additiv tillverkning i liten skala (från några centimeter till flera meter) gäller även för storskalig 3D-utskrift. De främsta fördelarna med att använda additiv tillverkning inkluderar att skapa komplexa former och funktioner, minska antalet delar, minska material och vikt samt öka produktiviteten. Om additiv tillverkning inte tillför värde bör dess användbarhet ifrågasättas.
I oktober 2021 förvärvade Stratasys de återstående 55 % av aktierna i Xaar 3D, ett dotterbolag till den brittiska tillverkaren av industriella bläckstråleskrivare Xaar. Stratasys polymer PBF-teknik, kallad Selective Absorbion Fusion, är baserad på Xaar bläckstråleskrivarhuvuden. Stratasys H350-maskinen konkurrerar med HP MJF-systemet.
Att köpa Desktop Metal var imponerande. I februari 2021 förvärvade företaget Envisiontec, en långvarig tillverkare av industriella additiva tillverkningssystem. I maj 2021 förvärvade företaget Adaptive3D, en utvecklare av flexibla VPP-polymerer. I juli 2021 förvärvade Desktop Metal Aerosint, en utvecklare av processer för ombeläggning av pulverlackering för flera material. Det största förvärvet skedde i augusti när Desktop Metal köpte konkurrenten ExOne för 575 miljoner dollar.
Förvärvet av ExOne av Desktop Metal sammanför två välkända tillverkare av BJT-system i metall. Generellt sett har tekniken ännu inte nått den nivå som många tror. Företag fortsätter att ta itu med frågor som repeterbarhet, tillförlitlighet och att förstå grundorsaken till problem när de uppstår. Även om problemen löses finns det fortfarande utrymme för tekniken att nå större marknader. I juli 2021 meddelade 3DEO, en tjänsteleverantör som använder ett egenutvecklat 3D-utskriftssystem, att de hade levererat en miljonte till kunder.
Programvaru- och molnplattformsutvecklare har sett en betydande tillväxt inom additiv tillverkningsindustri. Detta gäller särskilt för prestationshanteringssystem (MES) som spårar AM-värdekedjan. 3D Systems gick med på att förvärva Oqton i september 2021 för 180 miljoner dollar. Oqton grundades 2017 och tillhandahåller molnbaserade lösningar för att förbättra arbetsflödet och effektiviteten inom AM. Materialize förvärvade Link3D i november 2021 för 33,5 miljoner dollar. Liksom Oqton spårar Link3Ds molnplattform arbete och förenklar AM-arbetsflödet.
Ett av de senaste förvärven under 2021 är ASTM Internationals förvärv av Wohlers Associates. Tillsammans arbetar de för att utnyttja Wohlers varumärke för att stödja ett bredare införande av AM världen över. Genom ASTM AM Center of Excellence kommer Wohlers Associates att fortsätta producera Wohlers-rapporter och andra publikationer, samt tillhandahålla rådgivningstjänster, marknadsanalyser och utbildning.
Industrin för additiv tillverkning har mognat och många branscher använder tekniken för en mängd olika tillämpningar. Men 3D-utskrift kommer inte att ersätta de flesta andra former av tillverkning. Istället används den för att skapa nya typer av produkter och affärsmodeller. Organisationer använder additiv tillverkning för att minska vikten på delar, minska ledtider och verktygskostnader samt förbättra produktpersonalisering och prestanda. Industrin för additiv tillverkning förväntas fortsätta sin tillväxtbana med nya företag, produkter, tjänster, applikationer och användningsområden som dyker upp, ofta i en rasande fart.