Produkcja postprzemysłowa

Brytyjska Królewska Akademia Inżynierska w 2013 roku zorganizowała dyskusję na temat kondycji produkcji uzupełniającej w Wielkiej Brytanii. Uczestnicy tej dyskusji – naukowcy oraz przedstawiciele przemysłu – dyskutowali o wielu zaletach technologii produkcji uzupełniającej oraz jej wykorzystaniu dla rozwoju biznesu. Na bazie tej dyskusji powstał raport, który zostanie omówiony w niniejszym artykule.

Wzrost produkcji – rozwój technologii AM i sektora 3D

W 2009 roku straciły ważność kluczowe dla technologii 3D patenty dotyczące laserowego stapiania i napawania osadzonego materiału według wzoru nadanego przedmiotowi przez oprogramowanie komputerowe (FDM – fuse deposition modeling). Obecnie stanowią one dobrze rozwijające się źródło drukowania w technologii 3D oraz przyczynek do produkcji prostych domowych drukarek, a także produkcji urządzeń (MakerBot) wykorzystywanych do tworzenia większych przedmiotów z wykorzystaniem technologii 3D.

Globalny rynek produktów i usług dla AM (produkcji uzupełniającej) wzrósł w sumie o 29% w stosunku do 2012 roku – do ponad 2 mld USD. Sprzedaż profesjonalnie sklasyfikowanych jednostek zbliżyła się do poziomu 8000 sztuk w 2012 roku, wliczając w to osobiste drukarki 3D, sprzedawane za cenę przekraczającą 5000 USD.

Obserwuje się szybki globalny wzrost sprzedaży osobistych drukarek 3D, w latach 2008 do 2011 notowano wzrosty na średnim poziomie 345% rocznie. W 2012 roku wzrost ten został oszacowany na poziomie 46,3%. Większość z tych urządzeń została sprzedana hobbystom, dla osobistego użytku, studentom uniwersytetów technicznych oraz instytucjom zajmującym się edukacją. W 2012 roku sprzedanych zostało 70000 drukarek 3D po cenie wynoszącej średnio1500 USD. Oznacza to przychód w wysokości 105 mln USD w ciągu dwóch lat, nie licząc wartości sprzedanych materiałów, oprogramowania i innych produktów

Zastosowanie technologii AM do produkcji podzespołów wykorzystywanych w końcowych wyrobach ciągle wzrasta, w ciągu ostatnich 10 lat osiągając poziom prawie 28,3% całkowitego przychodu ze sprzedaży produktów i usług.

Technologia AM w gospodarce osiągnęła większy wzrost w bezpośredniej produkcji, w przeciwieństwie do tworzenia prototypów (tradycyjny obszar dominacji produkcji uzupełniającej). W obrębie bezpośredniej produkcji technologia AM oferuje urozmaiconą listę produktów i dziedzin, takich jak: elektronika, tekstylia, efekty filmowe, biżuteria, instrumenty muzyczne.

Można wyróżnić trzy najszybciej rozwijające się dziedziny, w których stosuje się technologię AM: są to medycyna i stomatologia, przemysł motoryzacyjny oraz lotniczy. Sukces technologii AM w sektorze biomedycznym opiera się głównie na protetyce, implantach, wymianie zębów i skomplikowanych części ciała, łącznie z naczyniami krwionośnymi.

Największy wpływ produkcja ta ma jednak na przemysł lotniczy, który jako pierwszy w 2011 roku wprowadził do użytku maszyny AM, do których zamiast tworzyw sztucznych jako surowca używano metalu.

Korzyści z stosowania technologii AM

Unikatowe procesy, techniki i technologie AM są doskonałą płaszczyzną dla innowacji i źródłem korzyści logistycznych, ekonomicznych i technicznych.

Mały zakres produkcji

Technologia AM zastępuje obrabiarki oraz proces obróbki skrawaniem. Fakt ten przyczynia się do tego, że jest ona tańsza, daje możliwość realizacji małych partii produkcji oraz uzyskiwania produktów dostosowanych do indywidualnych wymagań klientów.

Niższe koszty produkcji

W technologii AM przedmioty można wytwarzać taniej, przez co staje się ona konkurencyjna w świecie pośród innych systemów.

Wrażliwość produkcji

Dla niewielkich partii produkcji technologia AM daje możliwość szybszego wytworzenia produktu niż przy tradycyjnych metodach produkcyjnych.

Krótsze łańcuchy dostaw

Technologia AM daje możliwość uproszczenia i skrócenia łańcucha dostaw, ponieważ możliwe jest wykorzystywanie jej bliżej klienta. Fakt ten może przyczynić się do tworzenia lokalnych, regionalnych oraz krajowych centrów produkcyjnych w celu szybkiego wytwarzania prototypów do różnorodnego wykorzystania (marketing, badanie rynku itp.)

Demokratyzacja produkcji

Technologia AM ma podobne atrybuty jak Internet i z tego powodu jest demokratyczna.

Zoptymalizowane projektowanie

Technologia AM daje możliwość konstruowania bardziej złożonych geometrycznie przedmiotów niż przy użyciu tradycyjnych technik, takich jak np. formowanie wtryskowe. W związku z tym projektanci mogą dostosować swoje pomysły do tej technologii, a to umożliwia im porzucenie dotychczasowych metod, stosowanych przy projektowaniu i wykorzystaniu oprogramowania CNC.

Wyzwania i możliwości technologii AM

Pomimo niezaprzeczalnych korzyści, technologia AM ciągle boryka się z licznymi problemami z powodu braku wspierającej ją struktury, kapitału i braku standardów przemysłowych.

Surowce

Istnieje zapotrzebowanie na lepsze surowce, używane w produkcji w technologii AM i drukarkach 3D. Rozwój maszyn, które mogą przerabiać metale przez napawanie (tworzące przedmiot z proszku), jest pomocny w celu uruchomienia procesów do przemysłowych zastosowań. Nowy metal „Scalmalloy” (aluminium-magnez-skand) oraz polimery potrzebują większych nakładów na badania i rozwój. Dodatkowo metale stosowane w technologii AM są często możliwe do powtórnego wykorzystania, a polimery zupełnie nie, poza tym surowce podawane do zasobnika np. w produkcji muzycznych płyt winylowych powstają w wyniku specyficznych procesów technologicznych, do których potrzebna jest dodatkowa energia.

Oprogramowanie

Stosowane dzisiaj programy CAD nie są przewidziane jako nadające się do projektowania na użytek technologii AM. Tradycyjne systemy CAD jest ciągle wykorzystywane dla tradycyjnych procesów produkcyjnych, a szczególnie tam gdzie występuje dużo kół i prostych linii w obrabianych przedmiotach. W technologii AM są one nieprzydatne. Dlatego potrzebny jest nowy system projektowania oparty na innych zasadach.

Zarządzanie danymi

Dane są warunkiem sin equa non, bez którego technologia AM nie jest przydatna. Podczas gdy metody technologii AM były stosowane w ciągu ostatnich 25 lat, obecnie to zarządzanie danymi stało się nowym wyzwaniem. Dziś nie istnieje bowiem taki komputer, którego pamięć wystarczyłaby na wyprodukowanie funkcjonalnej części o objętości jednego metra sześciennego.

Trwałość

Mała skala produkcji daje możliwość dostosowania jej do specyficznych wymagań klientów, a to może przyczynić się do zmniejszenia zastosowania surowców potrzebnych do efektywnego uzyskania przedmiotu o określonych geometrycznych kształtach. Do tego celu nie jest potrzebna aż tak duża energia, jak przy formowaniu wtryskowym.

Dostarczalność

Koszty uruchomienia urządzenia i surowców podawanych do zasobnika są potencjalnymi barierami w komercjalizacji technologii AM. Istnieje olbrzymia dysproporcja między kosztem nylonu do formowania wtryskowego, który można kupić za około 5 funtów/kilogram, a tym, który jest potrzebny do drukarek 3D i kosztuje 50 funtów za kilogram.

Szybkość

Podczas gdy przy małej skali produkcja w technologii AM jest szybsza, konwencjonalne metody produkcji wielkoseryjnej oferują lepsze tempo. Potrzebna będzie nowa generacja urządzeń AM, jeżeli zastąpimy formowanie wtryskowe oraz maszyny odlewnicze, ponieważ w technologii AM nie można w równie prosty sposób wykonać tego, co jest obecnie możliwe tradycyjnymi metodami technologicznymi.

Niezawodność

Technologii AM jest trudno konkurować z tradycyjnymi technikami w zakresie niezawodności i reprodukcji. Dla firm oczekujących wskaźnika braków na poziomie kilku części na milion nie istnieje obecnie żaden sposób, aby w technologii AM przybliżyć się do tego poziomu. Potencjalne rozwiązania tego problemu może przynieść realizacja programu usprawnienia urządzeń nazwana „ogromną inwestycją”, w ramach którego rozważa się możliwość hybrydyzacji procesów konwencjonalnych z AM.

Standardy

Potencjalne rozwiązania problemów związanych z niejednolitymi standardami mogą pojawić się w ciągu kilku kwartałów poprzez realizację programu BSI (British Standard Index), który zarządzany jest przez Alex Price. Globalne standardy są już przedkładane przez ASTM (Międzynarodowy Komitet Techniczny F42) w zakresie technologii produkcji AM oraz przez ISO/TC261 (Międzynarodowa Organizacja Standaryzacyjna).

Popieranie innowacji

Obecnie w Wielkiej Brytanii jest jeden przemysłowy producent maszyn dla technologii AM – firma Renishaw. Technologia AM ma mocne korzenie w Wielkiej Brytanii, ponieważ pierwsza oryginalna, tania biurowa drukarka 3D została wyprodukowana w Bath, zanim jeszcze licencja została wykupiona przez firmę z USA.

Stymulowanie badań i rozwoju poprzez współzawodnictwo

W grudniu 2012 roku komitety naukowe oraz rząd Wielkiej Brytanii uruchomiły współzawodnictwo, które będzie finansowało 18 innowacyjnych projektów w zakresie technologii AM i drukarek 3D na kwotę 8,4 miliona funtów.

Tworzenie klastrów

Poprzez tworzenie klastrów technologii biznesowych AM można kreować możliwości do zarażania pomysłami różnych firm i tym samym przyspieszyć proces innowacji.

Budowanie struktury

Definicję sektora technologii AM trzeba niewątpliwie rozpocząć od określenia różnic pomiędzy drukowaniem 3D a technologią AM, co przyczyniłoby się do przejrzystej segmentacji rynku i podniesienia społecznej atrakcyjności zarówno technologii AM i drukowania 3D, jak i inwestycji w tym zakresie. Proces ten jest również ważny ze względu na korzyści uzyskiwane z tytułu stosowania różnych technologii. Proste drukarki 3D wspomagają edukację i prace badawcze poprzez szybkie tworzenie prototypów. Bardziej złożone urządzenia mogą być użyte w przemyśle przyczyniając się do uzyskiwania oszczędności surowców oraz produkcji tańszych i lżejszych produktów.