Hardware, Materialien und Software:Die 3 Säulen des Erfolgs beim 3D-Druck

Was sind die Geheimnisse einer erfolgreichen additiven Fertigung?

Diese Frage stellen sich viele Interessenvertreter der Branche, da sich die additive Fertigung zunehmend in Richtung Endteilfertigung bewegt. Obwohl der 3D-Druck vor allem in den letzten 10 Jahren einen langen Weg zurückgelegt hat, bleiben zentrale Herausforderungen, die angegangen werden müssen.

Die 3 Säulen des Erfolgs des 3D-Drucks

Der Schlüssel zu einem erfolgreichen AM-Betrieb liegt in 3 entscheidenden Bereichen:

1. Hardware
2. Materialien
3. Software

Diese Elemente bilden die von uns so genannten 3 Säulen des industriellen 3D-Drucks, da der Einzug der Technologie in die Endteilfertigung von weiteren Fortschritten in jedem dieser Bereiche abhängen wird.

Vor diesem Hintergrund werfen wir einen Blick auf die Herausforderungen in jedem dieser Bereiche und die Schritte, die unternommen werden, um sie zu bewältigen.

Säule 1:Hardware

Ohne Zweifel sind die industriellen 3D-Drucker von heute weit entfernt von den frühen Systemen der 1980er Jahre. Sie sind schneller, zuverlässiger geworden und immer mehr Hersteller entwickeln industrielle 3D-Drucker mit Blick auf die Produktion.

Genauigkeit und Wiederholbarkeit

Damit die additive Fertigung jedoch für die Endteilfertigung wirklich tragfähig wird, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Maschinen so entwickelt werden, dass die Wiederholbarkeit und Genauigkeit des Prozesses jederzeit zu 100 % gewährleistet ist.

Bei der additiven Fertigung müssen Endteile mit den gleichen Parametern hergestellt werden, um die gleichen Teileeigenschaften zu erhalten. Drei Schlüsselfaktoren hierfür sind:

• Ausrichtung
• Position
• Platzierung des Teils (im Verhältnis zu anderen Teilen im Druckbett)

Dennoch bleiben Zuverlässigkeit und Genauigkeit eine ständige Herausforderung für Hardwarehersteller. Viele industrielle 3D-Drucker sind derzeit noch nicht so ausgereift, dass sie zu 100 % zuverlässige Teile herstellen können, insbesondere bei Metallen. Im Vergleich zu etablierten, traditionellen Methoden ist dies ein Problembereich, der gelöst werden muss, damit AM eine wertvolle Alternative darstellen kann.

Außerdem führt das 3D-Druckverfahren oft zu Teilen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dieses Problem ist in erster Linie auf die zahlreichen Prozessparameter zurückzuführen, die streng kontrolliert und überwacht werden müssen. Eine Möglichkeit, dieser Komplexität zu begegnen, ist die Entwicklung von geschlossenen Regelkreisen, die die Qualität und Wiederholbarkeit der Endteilproduktion sicherstellen.

Velo3D ist ein Unternehmen, das ein solches Closed-Loop-System in seine 3D-Drucker integriert hat. Der US-amerikanische Hersteller hat vor kurzem seine Metallpulverbett-Saphir-Maschine auf den Markt gebracht, die dank der integrierten in-situ-Prozessmesstechnik eine überlegene Teile-zu-Teile-Konsistenz liefern soll. Dies ermöglicht eine Schmelzbadkontrolle mit geschlossenem Kreislauf, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Verformung und die Variabilität zwischen den Teilen verringert wird.

Geschwindigkeit und Skalierbarkeit

Probleme in Bezug auf Druckgeschwindigkeit und Skalierbarkeit begrenzen das Massenproduktionspotenzial von 3D-Drucksystemen. Aber auch hier versuchen Hardwarehersteller, dieses Problem zu überwinden. Beispiel HP:Der Hersteller hat im vergangenen Jahr sein Multi Jet Fusion-System mit dem Ziel auf den Markt gebracht, die AM-Produktion von Kunststoffteilen zu steigern. Bis heute wurden mit den MJF-Maschinen rund 3,5 Millionen Teile produziert, davon die Hälfte für Endanwendungen.

HP hat kürzlich auch angekündigt, in die Endteilefertigung für Metalle einzusteigen. debütierte seine Metal Jet-Maschine Anfang dieses Jahres. Die Maschine verspricht bis zu 50-mal höhere Produktivität als vergleichbare Metal Binder Jetting- und SLM-Maschinen. Und im Hinblick auf die Einhaltung von Zertifizierungsstandards soll das System in der Lage sein, Edelstahlteile zu produzieren, die den internationalen Standards von ASTM entsprechen.

Säule #2:Materialien

Materialien sind die zweite Säule des industriellen 3D-Drucks. Auch in diesem Bereich wurden bereits viele Fortschritte erzielt, wobei die Palette der AM-kompatiblen Materialien Metalle, Polymere und sogar Keramiken umfasst. Wesentliche Herausforderungen bezüglich Kosten und Standardisierung sind jedoch noch zu bewältigen.

Hohe Kosten

Es ist von entscheidender Bedeutung sicherzustellen, dass die additive Fertigung im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden wettbewerbsfähig bleibt. Dabei sind hohe Materialkosten eine der größten Herausforderungen für Hersteller.

Hier ist vielleicht eine stärkere Zusammenarbeit am dringendsten erforderlich. Ultimaker ist ein Beispiel dafür; Der Hersteller von Open-Source-Desktop-3D-Druckern hat Kooperationen mit mehreren globalen Materialunternehmen angekündigt.

In einem kürzlich geführten Interview mit AMFG bekräftigt der Präsident von Ultimaker North America, John Kawola, die Notwendigkeit von mehr Wettbewerb, um die Kosten zu senken:„Die Realität im 3D-Druck heute ist, dass die Filamentkosten für eine FDM-Maschine ungefähr 50 US-Dollar pro Pfund, während es beim Spritzgießen 3 US-Dollar pro Pfund sind. Das ist eine Größenordnung daneben. Aber mit der Zeit mit mehr Wettbewerb, mehr Entwicklung und mehr Produktionsorientierung wird sich diese Lücke schließen.“

Standardisierung

Eine weitere Herausforderung liegt im Fehlen von Standards für den 3D-Druck. Damit verbunden ist das aktuelle Portfolio an AM-spezifischen Materialien. Während Kunststoffe vergleichsweise gut etabliert sind, erwartet die Industrie vor allem bei Metallen und Keramiken eine größere Materialvielfalt. Beispielsweise sind viele Legierungssorten für Metalle entweder nicht verfügbar oder wurden noch nicht für die additive Fertigung entwickelt. Die Erweiterung des Portfolios an AM-Materialien, angepasst an die unterschiedlichen Branchenanforderungen, wird letztendlich ein breiteres Anwendungsspektrum in allen Branchen ermöglichen.

ASTM International, eine Organisation zur Entwicklung von Standards, ist eine von mehreren, die daran arbeiten. Die Organisation hat sich mit einer Reihe wichtiger Branchenakteure zusammengetan, um das Additive Manufacturing Center of Excellence zu gründen, mit dem Schwerpunkt unter anderem auf der Entwicklung von Standards für Metallpulver.

Die Zunahme von Werkstoffunternehmen, die in den AM-Bereich eintreten, adressiert auch die Herausforderung der Werkstoffvielfalt. Diese neuen Player kommen mit neuen Materialangeboten, insbesondere im Hinblick auf Hochleistungsthermoplaste und Leichtmetalle.

Säule #3:Software

Zu guter Letzt kommt die dritte Säule des 3D-Drucks:die Software. Ein Unternehmen verfügt zwar über die 3D-Drucker und die Materialien, um die erforderlichen Teile herzustellen – aber wie können Sie eine schlanke und effiziente Steuerung Ihrer Produktionsprozesse gewährleisten? Wie stellen Sie eine vollständige Transparenz über Einrichtungen, Abteilungen und Teams hinweg sicher?

Verwaltung von Arbeitsabläufen

Hier kommt die Software ins Spiel. Tatsächlich ist der 3D-Druck als digitale Technologie stark auf Software angewiesen, um jedes Element des Produktionsprozesses zu steuern.

Eine der größten Herausforderungen für OEMs und Servicebüros liegt im Fehlen eines geeigneten Softwaresystems, das den spezifischen Anforderungen der additiven Fertigung gerecht wird. Da die AM-Produktion Schritte umfasst, die für die subtraktive Fertigung nicht erforderlich sind (CAD-Konstruktion, -Analyse usw.), reichen Standard-PLM- oder ERP-Systeme nicht aus, um die Anfragen, CAD-Operationen und andere notwendige Aktivitäten zu bearbeiten. So wie es aussieht, verwendet die überwiegende Mehrheit der Unternehmen separate Softwarepakete, die für unterschiedliche Funktionen entwickelt wurden und letztendlich nicht miteinander kommunizieren. Dies wirkt sich sowohl auf die Effizienz als auch auf die Sichtbarkeit negativ aus.

Glücklicherweise werden in diesem Bereich große Fortschritte mit wichtigen Entwicklungen in der Workflow-Management-Software gemacht. Bei den grundlegendsten Funktionen hilft diese Software bei der Automatisierung manueller, kundenorientierter Aufgaben wie der Verwaltung eingehender Anfragen. In vollem Umfang kann eine solche Software wie AMFG jedoch auch Produktionsaufgaben wie die Bauvorbereitung und die Maschinenplanung automatisieren und Produktionsmetriken und -einblicke in Echtzeit liefern.

Neben dem Workflow-Management hilft Simulationssoftware auch dabei, viele der aktuellen Herausforderungen der Industrie zu lösen. Die Vorhersage und Analyse von 3D-Druckprozessen mit Simulation kann beispielsweise dazu beitragen, ein kostspieliges Trial-and-Error-Ansatz zu vermeiden, indem sichergestellt wird, dass alle Parameter beim ersten Mal korrekt sind.

Maschinensteuerung

Vielleicht liegt einer der größten Problembereiche in der Möglichkeit, direkt zu den AM-Maschinen in Ihrer Produktionsanlage zu streamen und mit ihnen zu kommunizieren. Die Vorteile liegen auf der Hand:Die Möglichkeit, die Maschine aus der Ferne zu steuern, die Kapazität in Echtzeit zu bewerten und so weiter. Die allermeisten Maschinen wurden jedoch nicht mit Blick auf die direkte Kommunikation entwickelt. Damit der 3D-Druck zu einer Methode für die Endteilfertigung wird, müssen Hardwarehersteller mit Softwareentwicklern zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass ihre Maschinen für eine solche Integration offen sind.

Herausforderungen im 3D-Druck meistern

In den letzten zehn Jahren hat die additive Fertigung wichtige Meilensteine ​​in den Bereichen Hardware-, Material- und Softwareinnovation erreicht. Der Schlüssel zur Etablierung des 3D-Drucks als Fertigungsverfahren liegt jedoch nicht im Erfolg einer, sondern im Erfolg aller drei Säulen.

Wir sehen dies bereits auf der Hardware- und Materialseite mit Ankündigungen neuer AM-Systeme und Materialkooperationen, die für die Produktion entwickelt wurden. Softwareseitig arbeitet AMFG daran, das Projekt- und Produktionsmanagement für die additive Fertigung zu automatisieren.

Klar bleibt, dass die Industrie enger zusammenarbeiten muss, um echte Lösungen zu entwickeln, um die Technologiewandel in Richtung Produktion. Nur wenn wir uns darauf konzentrieren, die Herausforderungen in allen Bereichen zu meistern, können wir sicherstellen, dass die Branche ihren kontinuierlichen Wachstumskurs in Richtung Mainstream-Akzeptanz fortsetzt.