Преодоление топ-10 вызовов аддитивного производства для производства в 2020 — экспертные инсайты

Обновлено в 2020

Гибкость дизайна, материаловая эффективность и низкообъёмное производство делают аддитивное мануфактуринг (AM) привлекательной опцией для многих компаний. Однако для полного использования AM в производственной среде несколько препятствий должно быть адресовано.

Технологические вызовы

1. Низкие скорости производства

Скорость остаётся критическим фактором, особенно для высокообъёмных отраслей вроде авто и потребительских товаров. Традиционные 3D-принтеры часто отстают от конвенционального мануфактура в пропускной способности.

«Финальная деталь — это пропускная способность или скорость машин. [Авто] производственные объёмы значительно отличаются от объёмов аэро или медицины. Поэтому мы должны смотреть на системы, способные производить детали за минуты или секунды, а не дни и часы. Всё, что мы можем сделать, чтобы толкнуть технологию в более быстрые билд-скорости, определённо поможет нам».

Харольд Сирс, технический лидер AM технологий в Ford

Производители сильно инвестируют в высокоскоростные решения. EOS, например, развивает Laser Pro Fusion, которое будет использовать до 1 миллиона диодных лазеров в одной SLS системе, потенциально драматически режущее билд-таймы. В металлической печати Aurora Labs Multilevel Concurrent Printing (MCP™) позволяет одновременную депоницию множественных слоёв — 30 слоёв в один проход, с целью 100 слоёв в следующем году. Их принтер PMP1 достиг 350 кг/день, 2000% улучшение скорости за год.

Пока эти технологии ещё в разработке, траектория подсказывает, что AM встретит производственные требования по скорости в ближайшем будущем.

2. Разработка материалов и неконсистентность

«Отрасль аддитивного мануфактура определённо нуждается в решениях для большего числа материалов. 3D-печать теоретически способна производить детали высокой сложности и функциональности, будь то механическая, биологическая, электрическая. Но реализация этого сводится к наличию достаточного числа материальных опций».

Саймон Фрид, сооснователь Nano Dimension

AM сделала значительные шаги в полимерных и композитных материалах. Крупные химические компании — Arkema, BASF, DuPont — развивают углерод-армированные полимеры, соперничающие с металлами по прочности. Markforged представила Onyx FR — первый огнеупорный композит для AM. Металлические фидстоки тоже прогрессируют, хотя цикл длиннее. Несмотря на рост, отрасли всё ещё не хватает комплексной материаловой базы данных, ведущей к неконсистентным свойствам и сложной повторяемости.

Стандартизационные тела вроде ISO и ASTM устанавливают спецификации для металлических порошков (никель, титан, нержавейка), и коллаборации вроде America Makes с Stratasys и NIAR произвели базу данных ULTEM 9085 для FDM. Эти усилия помогут компаниям надежно сорсить и квалифицировать материалы.

3. Ручное постпроцессирование

Пока прототипирование может терпеть ручную финишную обработку, производство требует автоматизации. Металлические AM-детали требуют удаления порошка, стресс-рельеф тепловых обработок, удаления поддержек, ЧПУ-обработки и иногда горячего изостатического прессования для устранения пористости.

«С металлическим AM задействовано много шагов для обеспечения качества. Это включает правильное удаление порошка и прохождение стресс-рельеф цикла нагрева, чтобы детали не деформировались от остаточного теплового напряжения, накопленного при снятии с билд-платы. Часто много времени уходит на резку и шлифовку поддержек. Другие шаги — ЧПУ-обработка и другая финишная работа, а также горячее изостатическое прессование, помогающее гарантировать отсутствие пористости в детали».

Терри Уолерс, основатель и президент Wohlers Associates

Автоматизированные постпроцессинг-решения появляются — очистные риги DyeMansion, системы сглаживания поверхности AMT, единицы удаления поддержек PostProcess Technologies. В металле полностью автоматизированная производственная линия Digital Metal демонстрирует, как робототехника может обрабатывать билд-боксы, постобработку и хендлинг деталей, устраняя ручной труд.

Хотя прогресс инкрементален, расширение автоматизированных воркфлоу критично для высокообъёмного AM-производства.

Программные вызовы

4. Ограниченные возможности подготовки данных

«Дизайн и подготовка данных остаются бутылочным горлышком в этой отрасли, пока акцент делается на более высокопроизводительных железных системах, с интеллектуальными программными решениями исключёнными из этого уравнения».

Ив Хагедорн, управляющий директор Aconity3D

Традиционные CAD-инструменты не были спроектированы для уникальных требований AM — градиентные материалы, решётчатые структуры, моделирование пористости. Дизайнеры часто экспортируют в STL, импортируют в Netfabb, потом шлют в станок, создавая данные-сило и ошибки.

«Мы слышим от многих клиентов, что они работают с очень разрозненными воркфлоу. Они делают дизайн-процесс в CAD-туле, потом переводят в STL-файл и импортируют в билд-процессор, вроде Netfabb. Оттуда это идёт в станок и станок собирает данные. Так вы получаете сило данных, нехорошо связанные».

Роберт Янси, директор стратегии мануфактура и производственной индустрии Autodesk

Ведущие CAD-вендоры интегрируют AM-функции — PTC Creo 6.0 теперь поддерживает дизайн и подготовку печати в одной среде, и приобрёл генеративную дизайн-фирму Frustum. GrabCAD Stratasys и 3DXpert 3D Systems также стримят конвертацию данных. Цель — позволить дизайнерам итерировать внутри CAD-системы без громоздких файловых обменов.

Вызовы контроля качества

5. Деталь-к-детали вариация

«Ещё одна большая вещь, которую отрасль должна адресовать для более широкого принятия — деталь-к-детали вариация […] Причина в том, что консистентность материала, выходящего из системы, не обязательно та, что вы хотите. Вы должны проектировать для самой слабой детали, которую можете получить, значит не полностью используете некоторые возможности AM».

Закари Мерфри, вице-президент технологических партнёрств VELO3D

Вариации стволят из материаловой химии — размер частицы, форма, загрязнение — и из процессного контроля. Замкнутые системы контроля, с встроенными сенсорами и камерами, могут детектировать отклонения в реальном времени и корректировать параметры, редуцируя дефекты вроде застревания порошка, микротрещин или неполного плавления.

«Думаю, это Святой Грааль для AM, потому что с внутрипроцессным контролем вы можете почти немедленно реагировать на недостатки в вашем процессе».

Ив Хагедорн, управляющий директор Aconity3D

Сейчас только небольшой процент принтеров имеет замкнутый контроль, но тренд растёт по мере входа AM в производственные среды.

6. Отсутствие отраслевых стандартов

«Было бы невероятно полезно для всех стейкхолдеров, если бы отрасль имела лучшие стандарты в целом, стандарты, универсально понимаемые и принимаемые. Со стандартами компании могут сравнивать яблоки с яблоками и принимать интеллектуальные решения, реализуемые в комплексной экосистеме поставщиков, производителей и пользователей».

Ави Райхентал, основатель XponentialWorks

Стандарты необходимы для обеспечения материалового, процессного и продуктового качества. ISO и ASTM уже выпустили 28 AM-стандартов по состоянию на 2018, с многими в планах. Коллаборативные усилия — вроде партнёрства Oerlikon-Boeing для титановых деталей и ASTM Additive Manufacturing Center of Excellence — ускоряют стандартизацию по дизайну, фидстоку, процессу, постобработке, тестированию и квалификации.

Кадровые вызовы

7. Нехватка понимания и экспертизы

«[Кадровый] элемент действительно критичен сейчас. Не хватает инженеров, менеджеров, исполнительных, которые действительно понимают технологию достаточно хорошо, чтобы работать и разрабатывать стратегию для извлечения того, что им нужно».

Джон Барнс, основатель The Barnes Group Advisors

Преодоление знания разрыва жизненно важно. Многие компании теперь предлагают тренинг-программы, онлайн-курсы и центры превосходства для апскиллинга инженеров. Консалтинги и отраслевые конференции также диссеминируют лучшие практики. Ключ — 매тчить правильную технологию к правильному приложению, избегая ямы форсирования традиционных дизайнов на AM-процессы.

Финансовые вызовы

8. Совершение первоначальных инвестиций

Принятие AM вовлекает больше покупки принтеров; требует ПО, материалов, обучения, постобработки оборудования, сертификации, апгрейдов объектов. Апфронт-стоимость может быть пугающей.

«Стоимость оборудования должна снизиться, чтобы разблокировать технологию для более широких рынков».

Армин Виденеггер, стратегия и бизнес-девелопмент для AM в voestalpine High Performance Metals GmbH

Экономичные входные системы появляются. Композитный принтер Markforged стоит около $15 000 и окупился за шесть месяцев для Dunlop Systems, экономя £40 000 в год. Металлические принтеры Desktop Metal, Markforged, Xact Metal до $150 000 — фракция крупномасштабных систем. Построение бизнес-кейса вокруг быстрых побед — снижение затрат, сокращение лид-таймов, облегчение — может привлечь инвестиции и продемонстрировать ROI.

Воркфлоу и интеграционные вызовы

9. Фрагментированная AM-экосистема

«Вся AM-экосистема фрагментирована: есть много маленьких решений и компаний, которые нужно склеить вместе для создания воркфлоу и end-to-end решения».

Дэйв Коновер, главный технолог AM в Ansys

Интеграция через дизайн, билд, постобработку и цепочку поставок необходима для масштабируемости. Партнёрства — вроде интеграции RIZE и Dassault Systèmes SOLIDWORKS, и полноценной цепочки ценности Henkel (кастомные материалы, принтеры Loctite, печатные сервисы) — упрощают воркфлоу. Консолидация через коллаборацию экосистемы ускоряет адаптацию.

10. Нехватка цифровой инфраструктуры

Эффективное AM-производство требует цифровой спины, адаптированной к уникальным воркфлоу. Традиционные мануфактурные IT-решения часто недотягивают. Дедицированное AM-менеджмент ПО трекает запросы, печатабельность, машинную аналитику, планирование, постобработку, поставщиковую коммуникацию.

Централизованная система обеспечивает прослеживаемость, производственное планирование и синхронизацию данных, позволяя бесшовную интеграцию в цифровое мануфактурное окружение.

Эволюционирующая отрасль

За последнее десятилетие AM эволюционировала от инструмента прототипирования к жизнеспособной производственной технологии. Инновации в скорости, материаловедении, автоматизации, стандартах и развитии кадров драйвят этот сдвиг. По мере того как компании коллаборатируют, стандартизируют и стратегически инвестируют, аддитивное мануфактуринг продолжит зреть и расширяться по секторам.

Читайте наш предыдущий Экспертный обзор о будущем промышленной 3D-печати для больших инсайтов.