In de afgelopen tien jaar heeft additieve productie, ook bekend als 3D-printen, de manier waarop we onderdelen en producten ontwerpen en produceren ingrijpend veranderd. Volgens BS EN ISO/ASTM 52900 wordt additieve productie gedefinieerd als het proces waarbij materialen worden samengevoegd om onderdelen te maken op basis van 3D-modelleringsdata, meestal laag voor laag, in tegenstelling tot subtractieve of formatieve productiemethoden. Als productietechnologie vindt additieve productie toepassing in uiteenlopende sectoren, waaronder de auto-industrie, lucht- en ruimtevaart, gezondheidszorg, olie en gas, energieopwekking, mode, bouw, onderwijs en creatieve kunsten. Schattingen laten zien dat de markt voor additieve productie in 2023 een omvang van 20,37 miljard dollar bereikte, met een verwachte CAGR van meer dan 20% in het komende decennium.
Waarom additieve productie omarmen?
Conventionele productiemethoden zoals gieten, smeden en machinale bewerking blijven belangrijk, maar additieve productie biedt aanvullende voordelen en wordt steeds meer een onmisbaar gereedschap voor ingenieurs. Door zijn aard biedt additieve productie veel mogelijkheden.
1) Prototypering - Dankzij de gereedschapsloze aard en snelle productiemogelijkheden stelt additieve productie ingenieurs in staat om prototype-onderdelen snel fysiek te visualiseren en te testen. Deze versnelde mogelijkheid om ontwerpen te itereren verkort de ontwikkelingscyclus van nieuwe producten aanzienlijk.
2) Aanpassing op maat - Additieve productie maakt het ontwerpen en produceren van eenmalige onderdelen op maat mogelijk zonder dat er dure gereedschappen nodig zijn. Met name de zorgsector profiteert van deze benadering, waarbij unieke patiëntimplantaten naadloos kunnen worden gemaakt en aangebracht.
3) Reserveonderdelen - In de aftermarket en de dienstensector maakt additieve productie de kosteneffectieve productie mogelijk van kleine aantallen en complexe onderdelen met korte doorlooptijden op de plaats waar ze nodig zijn. In het geval van verouderde onderdelen is additieve productie een effectieve oplossing voor reverse engineering en het vinden van onderdelen voor kritieke technische activa, waardoor hun levensduur wordt verlengd. Voor reparatie en onderhoud vermindert de mogelijkheid om onderdelen op aanvraag te kopen de fysieke onderdelenvoorraad aanzienlijk en kunnen we digitale magazijnoplossingen gebruiken.
4) Prestatieverbetering - Additieve productie biedt een ongeëvenaarde ontwerpvrijheid, waardoor ingenieurs onderdelen of producten kunnen maken die superieure prestaties en massareductie leveren. Voorbeelden hiervan zijn het verbeteren van de efficiëntie van gasturbines of vliegtuigmotoren, het ontwerpen van zeer compacte en efficiënte warmtewisselaars en het optimaliseren van conform gekoelde spuitgietmatrijzen. De spuitgietmatrijzen voor additieve productie kunnen leiden tot betere producten, minder uitval en kortere injectiecyclustijden.
5) Verbetering van de levensduur - Door onderdelen te ontwerpen die geschikt zijn voor specifieke werkomgevingen, draagt additieve productie bij aan een verbeterde duurzaamheid. Onderdelen zijn beter bestand tegen belasting, vermoeidheid en slijtage. Integratie van onderdelen elimineert verbindingen en interfaces, wat leidt tot een langere levensduur. Het op maat maken van materiaaleigenschappen, zoals het gebruik van biocompatibele materialen voor medische implantaten of hogetemperatuurmaterialen voor vliegtuigmotoren, verbetert de duurzaamheid nog verder.
Industrieën revolutioneren: de transformerende kracht van additieve productie
De toepassing van additieve productie in verschillende industriële sectoren onderstreept de veelzijdigheid en het transformatieve potentieel ervan. Laten we enkele opmerkelijke voorbeelden bekijken:
1) Unieke producten voor de lucht- en ruimtevaart:
- Een van de meest besproken additieve productieonderdelen in de lucht- en ruimtevaartindustrie is het LEAP-brandstofpijpje van GE. Dit mondstuk is geproduceerd met behulp van lasertechnologie voor poederbedfusie, waarbij lagen poeder worden opgebouwd om een 3D-object te maken. Met 1000 geproduceerde eenheden per jaar behaalt dit onderdeel indrukwekkende resultaten:
i) ongeveer 25% gewichtsvermindering
ii) ongeveer 20 onderdelen geconsolideerd in één - Het ingewikkelde ontwerp van de interne kanalen en het weglaten van verbindingen dragen bij aan een betere duurzaamheid en prestaties. De implementatie ervan wordt beschouwd als een keerpunt in additieve metaalproductie en ruimtevaartproductie, dat de weg vrijmaakt voor een bredere toepassing.
2) Reserveonderdelen voor energie en olie & gas:
- Het tijdig leveren van reserveonderdelen is cruciaal voor de energie- en olie- & gasindustrie. Sulzer Ltd., een OEM van industriële pompen, ontwikkelde een oplossing voor het snel produceren van gesloten pompwaaiers binnen enkele dagen (in plaats van weken). Hun benadering combineert het beste van zowel additieve als conventionele productie:
i) De kern van de waaier wordt geproduceerd met 5-assig frezen uit een staaf.
ii) Vervolgens worden de waaiermantels en schoepen gemaakt door iteratieve stappen van poeder Laser Metal Deposition (LMD) en machinale bewerking. - Met deze methode kan een gesloten pompwaaier in minder dan twee weken worden geleverd (in vergelijking met 15-20 weken bij conventionele productie). De bewerkte oppervlakteafwerking op hydraulische oppervlakken leidt tot een efficiëntieverbetering tot 3%, wat resulteert in aanzienlijke besparingen op emissies gerelateerd aan de werking van pompen.
3) Biocompatibele medische implantaten:
- Stryker maakt gebruik van de geometrische ontwerpvrijheid van additieve productie om poreuze structuren te maken die spongieus bot nabootsen. Hun anterieure lumbale kooi (Monterey AL Interbody-systeem) is gemaakt van poeder van een titaniumlegering met behulp van laser-poederbedfusietechnologie. De botachtige poreuze structuur vergemakkelijkt osteogene activiteit (botopbouw) en verbetert de integratie van het implantaat.
4) Flexibiliteit en innovatie van de supply chain:
- Tijdens de Covid-19 pandemie werden verschillende industriesectoren geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van de levering van kritieke reserveonderdelen. Zo heeft Sulzer Ltd. in de VS onderdelen voor de 1e trap van de statorringen van een GE Frame 3 gasturbine voor een kritische gasturbine ingekocht met behulp van additieve productie. Conventionele opties waren niet beschikbaar vanwege de sluiting van gieterijen. Deze reverse-engineered onderdelen van additieve productie zorgden ervoor dat de gasturbine bleef werken, waardoor kritieke infrastructuur operationeel bleef tijdens de crisis. Hieruit bleek hoe additieve productie kan zorgen voor innovatie en flexibiliteit in de supply chain.
Uitdagingen het hoofd bieden: belangrijkste voorwaarden voor de toekomst van additieve productie
Net als veel andere industrieën staat additieve productie voor verschillende uitdagingen bij de grootschalige implementatie. Om het volledige potentieel van additieve productie te realiseren, moeten de belangrijkste factoren voor de toekomstige vooruitgang worden aangepakt:
1) Economisch - De investering die nodig is om additieve productieprocessen op te zetten kan hoog zijn, vooral als je rekening houdt met alle nabewerkingen die nodig zijn om onderdelen af te werken. De materiaalkosten van additieve productie kunnen ook aanzienlijk zijn. Aan de andere kant is het geruststellend om te zien dat de introductie van grotere en snellere machines de algemene economische aspecten van additieve productie verbetert.
2) Verbeteren van de vaardigheidskloof - Om de additieve productieindustrie te laten groeien, zijn opleiding en training van geschoolde professionals essentieel. Hoewel veel universiteiten en onderwijsinstellingen nu cursussen aanbieden over additieve productie, moet de praktische ervaring nog volledig worden afgestemd op het groeipotentieel van de industrie.
3) IP en data - Intellectueel eigendom (IP) en databescherming blijven zeer omstreden onderwerpen in de sector. Door de digitale aard van het additieve productieproces zijn data kwetsbaar voor diefstal of ongeoorloofd gebruik. Terwijl de industrie oplossingen ontwikkelt zoals digitale magazijnen, wordt er vooruitgang geboekt om dit probleem aan te pakken. Additieve productie genereert ook een aanzienlijk aantal digitale bestanden tijdens de productie, waardoor zinvolle data-analyse en -opslag nodig is. Machine learning en artificial intelligence worden steeds vaker gebruikt om deze uitdaging aan te gaan.
4) Schaalbaarheid, betrouwbaarheid en harmonisatie - Het opschalen van additieve productieprocessen van kleine batchproductie naar grotere volumes is momenteel een uitdaging vanwege problemen met de overdraagbaarheid van processen. Het streven van de industrie om additieve productiemachines te differentiëren heeft geleid tot problemen met de overdraagbaarheid van processen en een gebrek aan standaardisatie. Harmonisatie tussen verschillende OEM's (Original Equipment Manufacturers) is cruciaal om de inspanningen voor het overbrengen en opschalen van additieve productieprocessen te verminderen. Hoewel additieve productiemachines complexe systemen zijn, worden hun betrouwbaarheid en beschikbaarheid geleidelijk beter, maar ze lopen nog steeds achter op conventionele processen.
5) Regelgevend kader - Vroege gebruikers van additieve productietechnologie, zoals de lucht- en ruimtevaartindustrie, hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van normen en certificeringskaders voor additieve productieonderdelen en -producten. Internationale normalisatie-instellingen werken actief aan het dichten van hiaten. Gebruikers van additieve productie beschikken momenteel over verschillende normen die verschillende aspecten van de productie en certificering van additieve productieonderdelen behandelen. Het AMT/8 comité van BSI heeft de ontwikkeling van verschillende normen gestuurd in samenwerking met ASTM en ISO. Enkele belangrijke uitgegeven normen zijn onder andere:
- BS EN ISO/ASTM 52900 - Terminologie voor additieve productie - Algemene principes - Terminologie
- BS EN ISO/ASTM 52901 - Standaardgids voor additieve productie - Algemene principes - Eisen voor ingekochte additieve productieonderdelen
- BS EN ISO/ASTM 52904 - Additieve productie - Proceseigenschappen en prestaties: Praktijk voor metaalpoederbedfusieproces voor kritieke toepassingen
- BS EN ISO/ASTM 52925 - Additieve productie van polymeren - Basismaterialen - Kwalificatie van materialen voor lasergebaseerde versmelting van onderdelen met poederbed
- BS EN ASTM ISO/ASTM 52911 serie - Additieve productie - Ontwerp -Lasergebaseerde poederbedfusie van metaal, polymeren materialen
Samengevat staat additieve productie op het punt een revolutie teweeg te brengen in de productie-industrie en ongekende mogelijkheden te bieden voor innovatie, aanpassing op maat en duurzaamheid. Om het volledige potentieel ervan te realiseren, zijn echter gezamenlijke inspanningen nodig om technische, economische en regelgevende uitdagingen te overwinnen en tegelijkertijd een cultuur van innovatie en samenwerking in alle industriële sectoren te bevorderen.
