3D-Druck in der Fertigung: Visualisierung eines neuen Produktionsmodus
Mit dem Aufkommen von Consumer-3D-Druckern zu niedrigeren Preisen hat diese Technologie, die es seit den 1980er Jahren gibt, ihren Platz gefunden Debüt im Home Office.
Aber 3D-Drucker machen nicht nur auf der Konsumentenebene Eindruck. Stattdessen verändern sie langsam die Art und Weise, wie Hersteller über Design, Prototyping und sogar Produktion denken.
Da sich die Technologie immer weiter verbessert, können 3D-Drucker immer mehr Teile mit einer höheren Rentabilität als herkömmliche Fertigungstechniken produzieren . Könnten wir eine ganz neue Art der Produktion über den Horizont hinaus betrachten?
Die 3D-Druckindustrie heute
Der 3D-Druck hat sich zu einer Branche mit einem Volumen von 6,063 Milliarden Dollar entwickelt und verfügt über einen Fußabdruck in einer Vielzahl von Branchen. Die so genannte "additive manufacturing" -Industrie wuchs 2016 weltweit 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 im Jahr 2020 ausgeliefert werden.
Unternehmen wie Formlabs und Stratasys experimentieren mit Möglichkeiten, die 3D-Druckproduktion zu vergrößern, um sie wettbewerbsfähiger zu machen in Bezug auf den ROI. Da die Produktionsvolumen dieser Drucker steigen und die Prozesse automatisiert werden - ein wesentlicher Bestandteil aller Facetten in der Fertigung - werden die Gesamtkosten der Produktion drastisch gesenkt. Das Ergebnis ist ein kostengünstigeres Produkt, das schneller und mit weniger menschlichem Eingreifen erstellt wird.
"[Die] 3D-Druckindustrie hat nachweislich erhebliche Auswirkungen auf Branchen wie Automobil, Maschinenbau, Luftfahrt und mehr Anwendungen werden weiter wachsen, da diese Branchen die Effizienz und Effektivität der Technologie in der Produktion zeigen ", sagte John Kawola, Präsident von Ultimaker North America, gegenüber der Mobby Business. "Aber der 3D-Druck ist Teil von etwas Größerem: die Realisierung der nächsten Fertigungsrevolution - Industrie 4.0."
Industrie 4.0, auch Manufacturing 4.0 genannt, verweist auf den technologischen Nexus in der modernen Fertigungsumgebung. Die Vision beinhaltet oft das Internet der Dinge (IoT), maschinelles Lernen, Mixed Reality und Robotik, und der 3D-Druck ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Vision.
Die Rolle des 3D-Drucks im Herstellungsprozess
3D-Druck spielt bereits mehrere Rollen im Herstellungsprozess, und es ist bereit, weitere Fortschritte zu machen, wie es verfeinert und perfektioniert wird. Derzeit sind Design und Rapid Prototyping zwei der Hauptprozesse, die von 3D-Prints profitieren. 3D-Drucker sind auch in der Kleinserienproduktion nützlich, wenn z. B. kleine Produktmengen benötigt werden, um den Markt zu testen oder auf Messen zu werben. Und mit der Zeit werden die Produktionskapazitäten von 3D-Druckern immer größer.
3D-Drucker können in jeder Hinsicht die Zeit und die Kosten reduzieren, die für die Herstellung eines brauchbaren Produkts erforderlich sind. Aus diesem Grund glaubt Jack Beuth, Professor am Department of Mechanical Engineering am College of Engineering der Carnegie Mellon University und Co-Direktor des NextManufacturing Center, dass 3D-Druck als eine brandneue Technologie auf der Ebene von Personal Computing oder Smartphones betrachtet werden sollte.
"Unternehmen versuchen nun, die Technologie zu nutzen, um rentabler zu werden, und wie sie dies tun wird, werden Innovationen beinhalten, die weit mehr sind als nur Ersatz für die traditionelle Fertigung", sagte Beuth. "Bei der additiven Fertigung geht es um den Bereich Personal Computing im Jahr 1983."
Design
Da 3D-Drucker eine flexiblere Technologie sind, können Konstruktionsteams mit stärkeren oder interessanteren Strukturen experimentieren und komplexe geometrische Formen erstellen diese früheren Methoden konnten nicht realisiert werden.
"Die Designziele, zu denen wir unsere Kunden ermutigen sollten, den Wert des 3D-Drucks wirklich zu nutzen, sind Leichtbau, die Schaffung von Gitterstrukturen zur Reduzierung des Materialeinsatzes, die Kombination von Baugruppen, die Reduzierung von Arbeits- und Montageschritten und der potenziellen Fehlerquellen Auch weiche Kosten, wie die Reduzierung der Qualitätssicherung und die Verwaltung von Lagerbeständen ", sagte Greg Thompson, globaler Produktmanager für 3D-Druck bei Proto Labs.
Proto Labs ermöglicht es Ingenieuren, ihre eigenen digitalen CAD-Dateien hochzuladen, und das Unternehmen dreht Prototypen um - Volumenläufe des Produkts in 15 Tagen oder weniger.
"Sobald wir die Datei haben, enthält unsere Software Visualisierungstools und bietet ein Design für die Herstellbarkeitsanalyse", sagte Thompson. "Dann wird alles in unsere Werkstatt geschoben, ebenso wie zurück zum Kunden mit einem Angebot."
Abhängig von der Art des Produkts unterstützt Proto Labs 3D-Druck, Spritzguss und CNC-Fertigung. Der Prozess ermöglicht es dem Kunden, sich von Anfang bis Ende mit der Erstellung seines Designs zu befassen. 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 antworten.
"Dieser digitale Thread ist kritisch, weil wir unterschiedliche Inseln in verschiedenen Schritten haben "Wir konnten die Lieferzeiten, die wir liefern, nicht liefern", sagte Thompson.
Prototyping
3D-Drucker haben die Zeit für die Erstellung eines funktionierenden Prototyps eines Produkts erheblich verkürzt. Kostengünstigere, schnellere Prototypenerstellung beschleunigt die Produktentwicklung, reduziert die Kosten auf der ganzen Linie und beschleunigt die gesamte Markteinführungszeit.
"3D-Druck wird heute für Prototyping in der Produktentwicklung verwendet, um Designzyklen zu beschleunigen und Designer in die Lage zu versetzen, mehrere Optionen effizient zu erkunden , sagte Dr. Paul Benning, HP Leiter und 3D-Drucktechnologe bei HP Inc. "Typischerweise wurden diese Designs in analogen Verfahren wie dem Spritzgießen hergestellt, aber in Zukunft werden Teile im 3D-Druck hergestellt."
Mithilfe von 3D-Druck können mehrere Iterationen verschiedener Designs erstellt werden, um zu testen und Feedback zu sammeln. So können Unternehmen frühzeitig feststellen, welches das beste Modell ist. In der Vergangenheit wäre diese Art von Praxis selbst für die profitabelsten Unternehmen kostspielig und wahrscheinlich unhaltbar. Heute liegt es für fast alle auf der Hand.
"In den letzten 25 Jahren bestand das Paradigma für fortschrittliche Produktentwicklung darin, umfangreiche Simulationen und Design-Iterationen durchzuführen, bevor erste funktionale Prototypen zum Testen erstellt wurden", sagte Beuth. "Das ändert sich jetzt. Sobald Sie ein praktikables Design haben, können Sie einen Prototyp drucken und ihn zu minimalen Kosten testen. Dies wird die Entwicklungszeiten der Produkte erheblich reduzieren."
Kleinserien
Während 3D-Drucker derzeit herkömmlichen Druckern überlegen sind Für die ersten tausend produzierten Teile steigt die Zahl stetig und malt das Bild einer 3D-gedruckten Fertigungszukunft.
"In Zukunft wird es bei allen Kleinserien auch 3D-Druck geben", sagt Benning sagte. "Focused Produktteams [werden] in der Lage sein, neue Produkte auf wöchentlicher oder täglicher Basis zu veröffentlichen - nur eingeschränkt durch ihre Zeit und Vorstellungskraft, nicht mehr durch die für die analoge Produktion benötigten Kapitalanlagen. Dieser agile Entwicklungsprozess für physische Teile, 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. Die Skalierung der Produktion seiner 3D-Drucker, die teilweise selbst 3D-gedruckt werden, hat es ermöglicht, 50 bis 70 Drucker pro Tag zu produzieren. 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 erwartet das Unternehmen die Auslieferung von 15.000 Druckern.
"3D-Druck unserer Drucker ist ... schneller und ... billiger für den Kunden", sagte Matt Regnier, CEO von Dagoma 3D. "Der 3D-Druck hilft uns, schneller zu wachsen, und hilft uns, die Kosten zu senken und den Preis zu senken."
Eine Massenproduktions-Zukunft?
Im Laufe der Zeit nimmt die Anzahl der Teile, die 3D-Drucker verarbeiten können, zu, während sie einen höheren ROI als konventionelle Methoden wie das Spritzgießen aufweisen, sagt Regnier. Darüber hinaus ist eine Produktionslinie, die auf 3D-Drucktechnologie basiert, leichter zu optimieren.
"Ich denke, einer der Hauptvorteile ... ist, die gesamte Produktionslinie an die Geschwindigkeit der 3D-Druckproduktionslinien anpassen und anpassen zu können". Sagte Regnier. "Wenn wir zum Beispiel etwas auf unserem Gerät verbessern wollen, ist es einfach y - es ist nur einen Klick entfernt. Für eine andere Technologie wie die Injektion ist es kein einziger Klick entfernt, es ist zwei bis drei Monate entfernt "Ich muss Formen wechseln, es versenden, sicherstellen, dass es fertig ist und arbeitet."
Thompson zufolge ist es unwahrscheinlich, dass der 3D-Druck die traditionelle Herstellung verdrängen wird, aber für Projekte, die Sinn ergeben, scheint das unvermeidlich Die Leistungsfähigkeit des 3D-Drucks wird in Bezug auf das Volumen weiter zunehmen.
"Die 3D-Druckindustrie ist bestrebt, die Maschineneffizienz zu erhöhen und die Materialkosten niedrig zu halten", sagte Thompson. "Wenn die Branche diese Herausforderungen weiter angeht, werden wir mehr Projekte sehen, die für den 3D-Druck bei höheren Stückzahlen sinnvoll sind, aber ich denke, dass dies eine Weiterentwicklung sein wird."
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