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-, dental- och konsumentindustrin använder additiv tillverkning för ett brett spektrum av applikationer.
Med en sådan utbredd användning är det tydligt att additiv tillverkning inte är en lösning som passar alla.Enligt ISO/ASTM 52900 terminologistandarden faller nästan alla kommersiella additiv tillverkningssystem in i 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 hjälpa till att förbättra en produkt eller process och när den inte kan.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 ledtiderna och skapa nya affärsmöjligheter.AM kommer inte att ersätta de flesta traditionella formerna av tillverkning, utan kommer att bli en del av entreprenörens arsenal av produktutveckling och tillverkningskapacitet.
Additiv tillverkning har ett brett spektrum av tillämpningar, från mikrofluidik till storskalig konstruktion.Fördelarna med AM varierar beroende på bransch, applikation och önskad prestanda.Organisationer måste ha goda skäl för att implementera AM, oavsett användningsfall.De vanligaste är konceptuell modellering, designverifiering och verifiering av lämplighet och funktionalitet.Fler och fler företag använder det för att skapa verktyg och applikationer för massproduktion, inklusive anpassad produktutveckling.
För flyg- och rymdtillämpningar är vikten en viktig faktor.Det kostar cirka $10 000 att placera en nyttolast på 0,45 kg i jordens omloppsbana, enligt NASA:s Marshall Space Flight Center.Att minska vikten på satelliter kan spara uppskjutningskostnader.Den bifogade bilden visar en Swissto12 metall AM-del som kombinerar flera vågledare till en del.Med AM reduceras vikten till mindre än 0,08 kg.
Additiv tillverkning används i hela värdekedjan inom energibranschen.För vissa företag är affärsfallet för att använda AM att snabbt iterera projekt för att skapa den bästa möjliga produkten på kortast tid.I olje- och gasindustrin kan skadade delar eller sammansättningar kosta tusentals dollar eller mer i förlorad produktivitet per timme.Att använda AM för att återställa funktioner kan vara särskilt attraktivt.
En stor tillverkare av DED-system MX3D har släppt en prototyp av rörreparationsverktyg.En skadad pipeline kan kosta mellan €100 000 och €1 000 000 ($113 157-$1 131 570) per dag, enligt företaget.Fixturen som visas på nästa sida använder en CNC-del som ram och använder DED för att svetsa rörets omkrets.AM ger höga deponeringshastigheter med minimalt avfall, medan CNC ger den precision som krävs.
2021 installerades ett 3D-printat vattenhölje på en oljerigg av TotalEnergies i Nordsjön.Vattenmantlar är ett kritiskt element som används för att kontrollera kolväteutvinningen i brunnar under konstruktion.I det här fallet är fördelarna med att använda additiv tillverkning minskade ledtider och minskade utsläpp med 45 % jämfört med traditionella smidda vattenjackor.
Ett annat affärscase 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 linje av adaptrar.Genom att använda AM kan ett företag spara pengar på dyra verktyg som måste bytas ut när nya telefoner släpps.
Som med alla processer eller tekniker bör additiv tillverkning inte användas eftersom den anses vara ny eller annorlunda.Detta för att förbättra produktutveckling och/eller tillverkningsprocesser.Det borde ge ett mervärde.Exempel på andra affärsfall inkluderar skräddarsydda produkter och massanpassning, komplex funktionalitet, integrerade delar, mindre material och vikt och 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 borttagningen av material av delar och stöd och efterbearbetning kommer att hjälpa.Automatisering ökar också produktiviteten och minskar kostnaden per del.
Ett av områdena av största intresse är efterbehandlingsautomation som pulverborttagning och efterbehandling.Genom att automatisera processen för massproduktion av applikationer kan samma teknik upprepas tusentals gånger.Problemet är att specifika automationsmetoder kan variera beroende på deltyp, storlek, material och process.Till exempel är efterbearbetningen av automatiserade tandkronor mycket annorlunda än bearbetningen av raketmotordelar, även om båda kan vara gjorda 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 pulverborttagningssystem.Företaget har utvecklat en teknik som kallas Smart Powder Recovery (SRP) som roterar och vibrerar metalldelar som fortfarande är fästa på byggplattan.Rotation och vibration styrs av delens CAD-modell.Genom att exakt flytta och skaka delarna flyter det fångade pulvret nästan som en vätska.Denna automatisering minskar manuellt arbete och kan förbättra tillförlitligheten och reproducerbarheten av pulveravlägsnande.
Problemen och begränsningarna med manuell pulverborttagning kan begränsa lönsamheten med att använda AM för massproduktion, även i små kvantiteter.Solukon metallpulverborttagningssystem 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 visar att de två största problemen är arbetshälsa och reproducerbarhet.
Manuell borttagning av pulver från PBF-hartsstrukturer kan vara tidskrävande.Företag som DyeMansion och PostProcess Technologies bygger efterbehandlingssystem för att automatiskt ta bort pulver.Många tillsatstillverkningsdelar kan laddas i ett system som vänder upp och ner på mediet för att avlägsna överflödigt pulver.HP har ett eget system som sägs ta bort pulver från Jet Fusion 5200:s byggkammare på 20 minuter.Systemet lagrar osmält pulver i en separat behållare för återanvändning eller återvinning för andra applikationer.
Företag kan dra nytta av automatisering om den kan tillämpas på de flesta efterbearbetningsstegen.DyeMansion erbjuder system för pulverborttagning, ytbehandling och målning.PowerFuse S-systemet laddar delarna, ångar de släta delarna och lossar dem.Företaget tillhandahåller ett ställ i rostfritt stål för upphängning av delar, vilket görs för hand.PowerFuse S-systemet kan producera en yta som liknar en formsprutningsform.
Den största utmaningen som branschen står inför är att förstå de verkliga möjligheter som automatisering har att erbjuda.Om en miljon polymerdelar behöver tillverkas kan traditionella gjutnings- eller formningsprocesser vara den bästa lösningen, även om detta beror på detaljen.AM är ofta tillgänglig för den första produktionskörningen i verktygstillverkning och testning.Genom automatiserad efterbearbetning kan tusentals delar produceras pålitligt och reproducerbart med AM, men det är delspecifikt och kan kräva en skräddarsydd lösning.
AM har inget med industri att göra.Många organisationer presenterar intressanta forsknings- och utvecklingsresultat som kan leda till att produkter och tjänster fungerar väl.Inom flyg- och rymdindustrin producerar Relativity Space ett av de största tillverkningssystemen för metalltillsats med egenutvecklad DED-teknik, som företaget hoppas kommer att användas för att tillverka majoriteten av dess raketer.Dess Terran 1-raket kan leverera en nyttolast på 1 250 kg till låg omloppsbana om jorden.Relativity planerar att skjuta upp en testraket i mitten av 2022 och planerar redan en större, återanvändbar raket som kallas Terran R.
Relativity Spaces Terran 1- och R-raketer är ett innovativt sätt att ombilda 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 det kan producera raketer från råvaror inom 60 dagar.Detta är ett bra exempel på att kombinera många delar till en och avsevärt förenkla leveranskedjan.
Inom dentalindustrin används additiv tillverkning för att tillverka kronor, broar, kirurgiska borrmallar, delproteser och aligners.Align Technology och SmileDirectClub använder 3D-utskrift för att producera delar för termoformning av klara plastriktare.Align Technology, tillverkare av Invisalign-märkta produkter, använder många av fotopolymerisationssystemen i 3D Systems bad.År 2021 sa företaget att det hade behandlat över 10 miljoner patienter sedan det fick FDA-godkännande 1998. Om en typisk patients behandling består av 10 aligners, vilket är en låg uppskattning, har företaget producerat 100 miljoner eller fler AM-delar.FRP-delar är svåra att återvinna eftersom de är härdplast.SmileDirectClub använder HP Multi Jet Fusion (MJF)-systemet för att producera termoplastiska delar som kan återvinnas för andra applikationer.
Historiskt har VPP inte kunnat producera tunna, transparenta delar med hållfasthetsegenskaper för användning som ortodontiska apparater.2021 släppte LuxCreo och Graphy en möjlig lösning.Från och med februari har Graphy FDA-godkännande för direkt 3D-utskrift av dentala apparater.Om du skriver ut dem direkt anses hela processen vara kortare, enklare och potentiellt billigare.
En tidig utveckling som fick stor uppmärksamhet i media var användningen av 3D-utskrift för storskaliga byggapplikationer som bostäder.Ofta är husets väggar tryckta genom extrudering.Alla andra delar av huset gjordes med traditionella metoder och material, inklusive golv, tak, tak, trappor, dörrar, fönster, vitvaror, skåp och bänkskivor.3D-printade väggar kan öka kostnaderna för installation av el, belysning, VVS, kanalsystem och ventilationskanaler för uppvärmning och luftkonditionering.Att avsluta insidan och exteriören av en betongvägg är svårare än med en traditionell väggdesign.Att modernisera ett hem med 3D-printade väggar är också ett viktigt övervägande.
Forskare vid Oak Ridge National Laboratory studerar hur man lagrar energi i 3D-printade väggar.Genom att föra in rör i väggen under byggandet kan vatten strömma genom den för uppvärmning och kylning. Detta FoU-projekt är intressant och innovativt, men det är fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede. Detta FoU-projekt är intressant och innovativt, men det är fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede.Detta forskningsprojekt är intressant och nyskapande, men det är fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede.Detta forskningsprojekt är intressant och nyskapande, men fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede.
De flesta av oss är ännu inte bekanta med ekonomin med att 3D-printa byggnadsdelar eller andra stora objekt.Tekniken har använts för att producera några broar, markiser, parkbänkar och dekorativa element för byggnader och utemiljö.Man tror att fördelarna med additiv tillverkning i liten skala (från några centimeter till flera meter) gäller 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 och öka produktiviteten.Om AM 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 industribläckstråleskrivartillverkaren Xaar.Stratasys polymer PBF-teknologi, kallad Selective Absorbion Fusion, är baserad på Xaar bläckstråleskrivhuvuden.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 tillsatstillverkningssystem.I maj 2021 förvärvade företaget Adaptive3D, en utvecklare av flexibla VPP-polymerer.I juli 2021 förvärvade Desktop Metal Aerosint, en utvecklare av flermaterialsprocesser för pulverlackering.Det största förvärvet kom i augusti när Desktop Metal köpte konkurrenten ExOne för 575 miljoner dollar.
Förvärvet av ExOne av Desktop Metal sammanför två kända tillverkare av metall BJT-system.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.Trots det, om problemen löses, finns det fortfarande utrymme för tekniken att nå större marknader.I juli 2021 sa 3DEO, en tjänsteleverantör som använder ett egenutvecklat 3D-utskriftssystem, att det hade skickat en miljondel till kunder.
Mjukvaru- och molnplattformsutvecklare har sett en betydande tillväxt inom additiv tillverkningsindustrin.Detta gäller särskilt för resultatstyrningssystem (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 förbättra AM-effektiviteten.Materialize förvärvade Link3D i november 2021 för 33,5 miljoner USD.Liksom Oqton spårar Link3Ds molnplattform arbete och förenklar AM-arbetsflödet.
Ett av de senaste förvärven 2021 är ASTM Internationals förvärv av Wohlers Associates.Tillsammans arbetar de för att dra nytta av Wohlers varumärke för att stödja en bredare användning av AM över hela världen.Genom ASTM AM Center of Excellence kommer Wohlers Associates att fortsätta att producera Wohlers-rapporter och andra publikationer, samt tillhandahålla rådgivningstjänster, marknadsanalyser och utbildning.
Tillverkningsindustrin för additiv har mognat och många industrier använder tekniken för ett brett spektrum av applikationer.Men 3D-utskrift kommer inte att ersätta de flesta andra former av tillverkning.Istället används det för att skapa nya typer av produkter och affärsmodeller.Organisationer använder AM för att minska vikten på delar, minska ledtider och verktygskostnader och förbättra produktanpassning och prestanda.Den additiva tillverkningsindustrin förväntas fortsätta sin tillväxtbana med nya företag, produkter, tjänster, applikationer och användningsfall som dyker upp, ofta i rasande fart.