2023 Autor: Susan Creighton | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 11:14
Mit dem Aufkommen von 3D-Druckern für Endverbraucher zu niedrigeren Preisen hat diese Technologie - die es seit den 1980er Jahren gibt - kürzlich ihr Debüt im Home Office gegeben.
3D-Drucker wirken sich jedoch nicht nur auf Verbraucherebene aus. Stattdessen verändern sie langsam die Denkweise der Hersteller in Bezug auf Design, Prototyping und sogar Produktion.
Da sich die Technologie weiter verbessert, können 3D-Drucker immer mehr Teile mit einem höheren Return on Investment (ROI) als herkömmliche Fertigungstechniken produzieren. Könnten wir uns eine ganz neue Produktionsweise am Horizont ansehen?
Die 3D-Druckindustrie heute
Der 3D-Druck hat sich zu einer Branche von 6, 063 Milliarden US-Dollar entwickelt und ist in einer Vielzahl von Branchen vertreten. Im Jahr 2016 wuchs der weltweite Umsatz der so genannten "Additive Manufacturing" -Industrie um 17, 4 Prozent. Letztes Jahr wurden fast 500.000 Drucker ausgeliefert, aber das ist nichts im Vergleich zu den geschätzten 6, 7 Millionen, die 2020 ausgeliefert werden.
Unternehmen wie Formlabs und Stratasys experimentieren mit Möglichkeiten, die 3D-Druckproduktion zu skalieren, um sie im Hinblick auf den ROI wettbewerbsfähiger gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden zu machen. Da das Produktionsvolumen dieser Drucker zunimmt und Prozesse automatisiert werden - ein wesentlicher Bestandteil aller Facetten in der heutigen Fertigung - werden die Gesamtkosten der Produktion drastisch gesenkt. Das Ergebnis ist ein kostengünstigeres Produkt, das schneller und mit weniger menschlichem Eingriff hergestellt wird.
"[Die] 3D-Druckindustrie hat nachweislich erhebliche Auswirkungen auf Branchen wie Automobilindustrie, Maschinenbau, Luftfahrt und mehr. Die Anwendungen werden weiter zunehmen, da diese Branchen die Effizienz und Effektivität der Technologie in der Produktion unter Beweis stellen", sagte John Kawola, President von Ultimaker North America, sagte Business News Daily. "3D-Druck ist jedoch Teil von etwas Größerem: der Verwirklichung der nächsten Fertigungsrevolution - Industrie 4.0."
Industrie 4.0, auch Manufacturing 4.0 genannt, bezeichnet den technologischen Zusammenhang im modernen Fertigungsbereich. Die Vision umfasst häufig das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), maschinelles Lernen, gemischte Realität und Robotik, und der 3D-Druck ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Vision.
Die Rolle des 3D-Drucks im Herstellungsprozess
Der 3D-Druck spielt im Herstellungsprozess bereits mehrere Rollen, und es ist an der Zeit, weitere Fortschritte zu erzielen, da er verfeinert und perfektioniert wird. Derzeit sind Design und Rapid Prototyping zwei der Hauptprozesse, die von 3D-Drucken profitieren. 3D-Drucker eignen sich auch für die Produktion in kleinen Stückzahlen, z. B. wenn kleine Produktmengen zum Testen des Marktes oder zum Werben auf Messen benötigt werden. Und im Laufe der Zeit werden die Produktionskapazitäten von 3D-Druckern weiter skaliert.
In jeder Hinsicht können 3D-Drucker die Zeit und die Kosten reduzieren, die zur Erzielung eines rentablen Produkts erforderlich sind. Aus diesem Grund ist Jack Beuth, Professor an der Fakultät für Maschinenbau der Carnegie Mellon University und Co-Direktor des NextManufacturing Center, der Ansicht, dass der 3D-Druck eine brandneue Technologie auf der Ebene des Personal Computing oder von Smartphones sein sollte.
"Die Unternehmen versuchen nun, die Technologie zu nutzen, um rentabler zu werden, und wie sie dies tun, wird Innovationen beinhalten, die viel mehr sind als nur Ersatz für die traditionelle Fertigung", sagte Beuth. "Mit der additiven Fertigung befassen wir uns mit dem Thema Personal Computing im Jahr 1983."
Design
Da 3D-Drucker eine flexiblere Technologie sind, können Designteams mit stärkeren oder interessanteren Strukturen experimentieren und komplexe geometrische Formen erstellen, die mit früheren Methoden nicht realisiert werden konnten.
"Die Konstruktionsziele, über die wir Kunden zum Nachdenken anregen, um den Wert des 3D-Drucks wirklich freizusetzen, sind Leichtbau, die Schaffung von gitterartigen Strukturen, um das verwendete Material zu reduzieren, Baugruppen zu kombinieren, Arbeits- und Montageschritte sowie die potenziellen Fehlerquellen zu reduzieren." Auch die Kosten werden gesenkt, beispielsweise durch Reduzierung der Qualitätssicherung und Bestandsverwaltung ", sagte Greg Thompson, globaler Produktmanager für 3D-Druck bei Proto Labs.
Mit Proto Labs können Ingenieure ihre eigenen digitalen CAD-Dateien hochladen. Das Unternehmen kann Prototypen oder Kleinserien des Produkts innerhalb von 15 Tagen oder weniger herstellen.
"Sobald wir die Datei haben, enthält unsere Software Visualisierungstools und liefert ein Design für die Herstellbarkeitsanalyse", sagte Thompson. "Dann wird das alles in unsere Werkstatt geschoben und mit einem Angebot an den Kunden zurückgeschickt."
Je nach Art des Produkts unterstützt Proto Labs den 3D-Druck, das Spritzgießen und die CNC-Fertigung. Sein Prozess ermöglicht es dem Kunden, sich von Anfang bis Ende auf die Erstellung seines Designs einzulassen. Wenn etwas angepasst werden muss, von der Vorlaufzeit für die Produktion bis zur Menge der für das Design verwendeten Materialien, kann der Kunde vor der Produktion reagieren.
"Dieser digitale Thread ist von entscheidender Bedeutung, denn wenn wir verschiedene Inseln in verschiedenen Schritten hätten, könnten wir nicht die Lieferzeiten liefern, die wir liefern", sagte Thompson.
Prototyping
3D-Drucker haben auch die Zeit, die für die Erstellung eines funktionsfähigen Prototyps eines Produkts erforderlich ist, erheblich verkürzt. Die kostengünstigere und schnellere Prototypenerstellung beschleunigt die Produktentwicklung, senkt die Gesamtkosten und verkürzt die Markteinführungszeit.
"3D-Druck wird heutzutage in großem Umfang für das Prototyping in der Produktentwicklung verwendet, um Designzyklen zu beschleunigen und Designern die Möglichkeit zu geben, mehrere Optionen effizient zu erkunden", sagte Dr. Paul Benning, HP-Kollege und Cheftechnologe für 3D-Druck bei HP Inc. "Diese Designs wurden in der Regel hergestellt In analogen Verfahren wie dem Spritzgießen werden Teile künftig jedoch im 3D-Druck hergestellt."
Mithilfe des 3D-Drucks können auf einfache Weise mehrere Iterationen verschiedener Designs erstellt werden, um das Feedback zu testen und zu sammeln. So können Unternehmen frühzeitig feststellen, welches Modell das beste ist. In der Vergangenheit war diese Vorgehensweise selbst für die profitabelsten Unternehmen kostspielig und wahrscheinlich unhaltbar. Heute ist es für fast jeden in Reichweite.
"In den letzten 25 Jahren bestand das Paradigma für die fortschrittliche Produktentwicklung darin, umfangreiche Simulationen und Designiterationen durchzuführen, bevor erste funktionale Prototypen zum Testen erstellt wurden", sagte Beuth. "Jetzt ändert sich das. Sobald Sie ein funktionsfähiges Design haben, können Sie einen Prototyp drucken und mit minimalen Kosten testen. Dies wird die Produktentwicklungszeiten erheblich verkürzen."
Kleinserienfertigung
Während 3D-Drucker derzeit die konventionellen Methoden für die ersten mehreren tausend produzierten Teile übertreffen, steigt diese Zahl stetig an und zeichnet das Bild einer zukünftigen 3D-Druckproduktion.
"In Zukunft ist es möglich, dass alle kurzfristigen Teile im 3D-Druck hergestellt werden", sagte Benning. "Fokussierte Produktteams können wöchentlich oder täglich neue Produkte auf den Markt bringen - nur eingeschränkt durch ihre Zeit und Vorstellungskraft, nicht mehr eingeschränkt durch das für die analoge Produktion erforderliche Kapital. Dieser agile Entwicklungsprozess für physische Teile wird ermöglicht durch 3D-Druck hat das Potenzial, die Produkte, die wir in nicht allzu ferner Zukunft sehen und verwenden werden, radikal zu verbessern und zu beschleunigen."
Dagoma 3D arbeitet daran, dies zu verwirklichen. Durch die Steigerung der Produktion seiner 3D-Drucker, die teilweise selbst in 3D gedruckt werden, konnten 50 bis 70 Drucker pro Tag hergestellt werden. Das Unternehmen verfügt nun über drei Einrichtungen - zwei in Frankreich und eine in den USA - mit einer Flotte von insgesamt rund 850 3D-Druckern. In diesem Jahr werden voraussichtlich 15.000 Drucker ausgeliefert.
"Der 3D-Druck unserer Drucker ist für den Kunden… schneller und… billiger", sagte Matt Regnier, CEO von Dagoma 3D. "Der 3D-Druck hilft uns, schneller zu wachsen und die Kosten und den Preis zu senken."
Eine Massenproduktion der Zukunft?
Mit der Zeit kann die Anzahl der Teile, die 3D-Drucker benötigen, gesteigert werden, während der ROI gegenüber herkömmlichen Verfahren wie Spritzguss weiter zunimmt, so Regnier. Darüber hinaus ist eine auf 3D-Drucktechnologie basierende Produktionslinie einfacher zu optimieren.
"Ich denke, einer der Hauptvorteile … ist es, die gesamte Produktionslinie an die Geschwindigkeit der 3D-Druck-Produktionslinien anpassen zu können", sagte Regnier. "Wenn wir zum Beispiel etwas an unserer Maschine verbessern möchten, ist es einfach - es ist nur einen Klick entfernt. Bei einer anderen Technologie wie der Injektion ist es kein Klick entfernt; es sind zwei bis drei Monate entfernt. Sie müssten die Formen wechseln." Versende es, stelle sicher, dass es fertig ist und funktioniert, und beginne dann mit der Produktion."
Laut Thompson ist es unwahrscheinlich, dass der 3D-Druck die traditionelle Fertigung verdrängt, aber für Projekte, die Sinn machen, scheint es unvermeidlich, dass die Kapazitäten des 3D-Drucks in Bezug auf das Volumen weiter zunehmen werden.
