Wanneer wordt additive manufacturing winstgevend?

In deze eerste in een reeks blogs over design in additive manufacturing bespreken we het gebruik, de voordelen en beperkingen van AM en vergelijken we deze technologie met klassieke fabricagetechnieken.

Van additieve fabricage wordt gezegd dat men er eender welke geometrie mee kan maken. Logisch dus dat ontwerpers met geweldige geometrische creaties op de proppen komen en vaak teleurgesteld zijn over het resultaat van het verkregen werkstuk: vervorming, plaatselijk een slechte oppervlaktekwaliteit, niet zo zuiver als verwacht of buiten toleranties,… Om deze problemen het hoofd te bieden, kunnen ontwerpers hun werkstukken veel eenvoudiger en productievriendelijker maken, mits ze rekening houden met enkele fundamentele overwegingen. Is een werkstuk eenvoudiger, dan zal ook de eindkwaliteit beter zijn en in bepaalde gevallen zal de kostprijs zelfs lager zijn voor eenzelfde functie.

Waarom een beroep doen op additive manufacturing

Het gebruik van klassieke of conventionele technologieën als verspaning en spuitgieten biedt tal van voordelen. Alle subtractieve technieken (EDM, draaien, frezen,…) kunnen voor een glad oppervlakteaspect zorgen en tot op de micron nauwkeurig zijn, met vrijwel alle beschikbare materialen. Spuitgieten vergt een relatief lange instelling, maar als het proces eenmaal op punt staat, is het productievolume (aantal geproduceerde werkstukken per tijdseenheid) zeer hoog, wat doorgaans de enige manier is om tot massaproductie te komen.

De industriële uitdagingen worden echter zo ingewikkeld dat de geometrie om een bepaalde uitdaging aan te gaan gewoon niet haalbaar is met conventionele technieken. Soms is dat te wijten aan de toegankelijkheid van de tool in de bewerking of aan het feit dat de gietvorm bij spuitgieten open moet zijn om een werkstuk te verwijderen zonder het beschadigen. In andere gevallen is de productie gewoon te klein (één enkel prototype) om rendabel te zijn en de vereiste toolingkosten te rechtvaardigen.

Omwille van al die relatief strikte beperkingen kan het onmogelijk worden om een werkstuk lichter of efficiënter te maken of een vroeg prototype tot stand te brengen om het snel te itereren en optimaliseren. Bovendien kunnen de mogelijkheden van klassieke technologieën kostengewijs pakweg in één enkele grafiek worden samengevat, waarin de opportuniteiten van AM duidelijk naar voren komen:

Rendabele opportuniteiten (groene zones) van AM ten opzichte van conventionele maaktechnieken

Deze grafiek toont wanneer conventionele maaktechnieken (CM) de voorkeur verdienen en waar additive manufacturing (AM) economisch gezien interessanter is.

Kijken we naar het aantal werkstukken dat op klassieke wijze kan worden geproduceerd, dan bevestigt dit het welgekende feit dat hoe meer identieke werkstukken een machine produceert, hoe lager de partijkosten zijn. Is de partij te klein, dan kunnen de toolingkosten te hoog oplopen voor de productie, wat verlieslatend kan worden. Dit wordt weergegeven door de blauwe curve waarbij de stippellijn de drempel is waar het aantal geproduceerde werkstukken te klein wordt.

In termen van geometrische complexiteit met betrekking tot de kosten in klassieke verspaning, volgt de tendens veeleer de rode curve. Een lage complexiteit is synoniem van lage kosten en als het werkstuk te complex is voor de technologie, dan wordt het te duur of kan het voor technische redenen zelfs niet worden geproduceerd. Deze drempel wordt door de rode stippellijn weergegeven.

Kijken we naar AM (groene stippellijn), dan merkt men eerst dat AM momenteel vrij duur is (en dus rechts in de grafiek staat), maar tegelijk kunnen we stellen dat deze hoge prijs niet veel zal veranderen met het aantal geproduceerde werkstukken of de complexiteit ervan.

Hiervan uitgaande lijken twee zones in de grafiek in het voordeel te spelen van AM ten opzichte van de conventionele maaktechnieken:

  • voor zeer complexe werkstukken…
  • …waarvan kleine aantallen nodig zijn.

Dit betekent ook dat als het gekozen werkstuk zich elders in de grafiek bevindt (goedkoper te maken, niet te complex, relatief hoge aantallen), en dus buiten de groene zones, AM niet wenselijk is voor de productie ervan omdat dit verlieslatend zou zijn of er meer risico's mee gepaard zouden gaan omwille van de actuele onzekerheden in AM.

Voordelen van AM

Additieve manufacturing (AM) kan talrijke voordelen hebben:

  • Een geoptimaliseerd ontwerp genereert veel minder materiaalafval ten opzichte van verspaning.
  • Dankzij de laagsgewijze aanpak wordt de binnenkant van een werkstuk makkelijk toegankelijk, wat de ontwerper in staat stelt veel complexere concepten te maken (interne holtes, lichtgewicht structuren, kanalen,…) dan met conventionele technieken.
  • Het fabricageproces in één stap van ontwerp naar productie maakt komaf met tooling tijdens de productiestap. Geen gietvorm of speciale voorziening nodig om het werkstuk in een machine te positioneren.
  • Er is reeds een brede waaier van materialen beschikbaar in polymeren, metalen en keramieken.
  • Men kan pakweg stellen dat de kosten niet stijgen met de geometrische complexiteit. Met andere woorden, de kostprijs voor het maken van een lichtgewicht werkstuk uit een 3D-maaswerk met geïntegreerde kanalen en scharnieren is ruwweg dezelfde als voor een kubusvormig blok met dezelfde hoogte en hetzelfde materiaalvolume. Dat is beslist niet het geval van de conventionele technologieën.
  • Het wordt haalbaar om zeer uiteenlopende werkstukken (in grootte, complexiteit,…) in één enkele run te produceren, terwijl een gietvorm alleen het model kan produceren waarvoor het is ontworpen. Bijzonder interessant voor medische toepassingen, zoals onder meer implantaten op maat.
  • Bepaalde AM-technologieën kunnen in één run werkstukken van verschillende materialen produceren.
  • Sommige functionaliteiten (veren, scharnieren, tandwielen, rotatieassen,…) kunnen in het fabricageontwerp worden geïntegreerd. Dit vergt geen post-assemblagestappen, maar is meteen klaar bij het verlaten van het AM-center.
  • De tijd nodig om een standaardvolume te produceren (300x300x400 mm³) bedraagt doorgaans minder dan een week, van schetsen en CAD tot het gebruiksklare werkstuk. Bijzonder praktisch, zelfs voor de vroege iteratieve ontwikkeling van een product dat uiteindelijk door spuitgieten zal worden gemaakt voor de massaproductie.
  • Maatwerk, labeling, texturing, conforme koelkanalen, gewichtsvermindering en dergelijke meer, worden betaalbaarder.

Beperkingen van AM

Toch moet men uiteraard ook rekening houden met een aantal beperkingen:

  • De beste haalbare geometrische nauwkeurigheid is 0,1 mm op standaard AM-machines, voor een werkstuk kleiner dan 100 mm. Boven deze lengte moet men rekening houden met een marge van 0,1%. Deze waarde kan zelfs oplopen tot 0,3%, naargelang van het materiaal, de technologie en de omvangrijkheid of massieve aard van het werkstuk. Precies daarom is lokaal vaak nabewerking nodig.
  • De limiet van de maximumgrootte van het werkstuk kan de ontwerper beletten om grote werkstukken als autobumpers of tafels in één run met standaardtechnologieën te maken. Momenteel bedraagt de gemiddelde maximumgrootte op industriële machines ongeveer 800 mm. Bepaalde niet-standaardtechnieken maken het mogelijk een gietvorm in zand te maken van 4000x2000x1000 mm of zelfs huizen met betonnen muren, of nog kleine autorompen met een ‘polymeer+koolstofvezel’-extruder die langs de XYZ-assen beweegt.
  • Voor heel wat AM-technologieën is een supportstructuur nodig. Eenvoudig gesteld verbindt die structuur het werkstuk met het bouwplatform. Ze voorkomt dat het werkstuk tijdens de fabricage gaat bewegen en houdt het stevig op zijn plaats. De structuur wordt door de machine gelijktijdig met de werkstukken zelf gebouwd. Helaas moet ze na het bouwen worden verwijderd; er is dus een nabewerkingsstap nodig om de support van het werkstuk los te maken.
  • Net na het fabricageproces is er overal grondstof: rond het werkstuk, in de holtes, openingen, kanalen, gaten,… Als bij het ontwerp hiermee geen rekening wordt gehouden, kan het soms bijzonder moeilijk zijn om dat materiaal te verwijderen, vooral in smalle plekjes.
  • Bepaalde technieken produceren werkstukken met anisotrope mechanische eigenschappen, vooral in goedkope machines en met een 'enorme' laagdikte (> 100 µm). Voor de meeste AM-technologieën is deze mechanische anisotropie echter niet echt uitgesproken.

Een goede ontwerper is de meest kostbare resource in de wereld van additieve fabricage. Hij zal immers in staat zijn de vorm van het werkstuk te optimaliseren om tegemoet te komen aan de vereisten, en hij zal rekening houden met alle factoren om de fabricage- en nabewerkingsstappen zo soepel mogelijk te houden. De enige manier om AM winstgevend te maken is een efficiënt en ‘eenvoudig en productievriendelijk’ ontwerp. 

Sirris kan u begeleiden bij het ontwerpen van een AM-product. We onderzoeken samen met u de technische en/of economische haalbaarheid van uw project. Benieuwd of uw producten geschikt zijn om (opnieuw) te worden ontworpen voor AM? Neem contact met ons op of volg een van onze toekomstige masterclasses! 

Deze blog werd geschreven in het kader van het project-Cornet AM 4 Industry.