In de voorbije maanden haalde ‘additive manufacturing’ (AM) – beter bekend als ‘3D printing’ – geregeld de brede pers, met stuntberichten als ‘print zelf je wapen’. Belangrijker is hoe AM stilletjes in steeds meer sectoren ingang vindt als een realistisch ontwikkelings- en productieproces.

Binnenkort koop je geen dingen meer, maar ‘print’ je ze gewoon bij jou thuis uit. En dat kan net zo goed een paar schoenen zijn, als je eigen illegale wapen. Utopie? Kijk maar hoe goedkoop de huis-3D-printers worden, en anders kan je wel aankloppen bij een ‘3D-printshop’, waar je ontwerp in een wip uit zo’n printer rolt. 3D-printing is hot en heeft de toekomst. Of is dit gewoon de nieuwste ‘hete lucht’ hype?

‘ADDITIVE MANUFACTURING’ IN OPMARS

Laten we wel wezen: het bovenstaande is inderdaad goeddeels hype, en voedt zelfs een langlopende spraakverwarring. ‘3D-printing’ is immers helemaal niet een vorm van ‘afdrukken’ maken, maar in wezen een innovatieve vorm van produceren. Een productiewijze die stilletjesweg zijn plaats verovert naast klassieke technieken als frezen, gieten, assembleren en dies meer. De term ‘additive manufacturing’ (AM) – ‘laag voor laag’ of incrementele productie (er is nog geen algemeen aanvaarde vertaling van ‘additive manufacturing’) – dekt beter de lading, aangezien hierbij duidelijk wordt verwezen naar het productieproces, en niet als een exotische vorm van drukwerk. In wezen kan een ‘AM’-machine wat worden beschouwd als het tegenovergestelde van een cnc-machine: in een AM-machine ‘groeit’ (additive) het geproduceerde voorwerp, terwijl in de tweede geval het voorwerp wordt gevormd door het wegnemen van materiaal (subtractive). In beide gevallen wordt de machine rechtstreeks gestuurd vanuit een ontwerp- (of productie-)bestand.

AM overstijgt vandaag het stadium van de ‘spielerei’ en het pure prototype-werk dankzij de ontwikkeling van nieuwe AM-procedés en de bijhorende nieuwe materialen. Zo worden naast de nog steeds uiterst populaire plastics, nu ook metalen (zoals titanium en edelmetalen), keramische en composietmaterialen, en een hele rist andere materialen aangewend – inclusief voedingswaren, bouwmaterialen. Dankzij procedés als ‘sinteren’ (het met laser samensmelten van materialen in poedervorm, zoals metalen) en ‘smelten’ kunnen ook stevige metalen voorwerpen worden geproduceerd, naast de meer gekende prototype-voorwerpen in kunststof. Naast het creëren van modellen en snelle prototypes (rapid prototyping), komt AM in toenemende mate dan ook in aanmerking voor de productie van gebruiksvoorwerpen (rapid manufacturing), zij het allicht nog in kleine aantallen.

ON DEMAND, LONG TAIL

Kortom, AM als groep van productiewijzen is een wereld in volle explosieve groei, en zal zowel op het productiegebeuren als op sectoren (als transport) een meer dan stevige invloed hebben. Daarbij kan worden gedacht aan producten die nog meer op de specifieke eisen van de klant zijn toegespitst (customized products), naast meer ‘on demand’ productie. Zo zal het mogelijk worden om (zelfs complexe) vervangingsonderdelen pas te produceren wanneer nodig, in plaats van jaren op voorhand, zodat die onderdelen jarenlang als ‘bevroren’ kapitaal een kostenpost voor opslag vormen. Zeg maar voor de ‘long tail’ productie van goederen.

Voorts zal met behulp van AM ook de productie van voorwerpen dichter bij de plek van gebruik mogelijk worden, zodat wellicht moeilijk en/of duur transport kan worden vermeden. Het is niet zonder reden dat Nasa een test met een AM-toestel aan boord van het internationaal ruimtestation ISS plant (maart tot september 2014). Al in 2012 werd er geëxperimenteerd met AM en gesimuleerd maanmateriaal met het oog op het gebruik van maanmateriaal als bouwmateriaal voor onderkomens op de maan. Maar later zal allicht ook de flexibiliteit van een lokale productie opwegen tegen de kostprijs van een lange of moeilijke logistiek naar meer gewone ‘moeilijke’ gebieden op aarde, zoals bergstreken, verafgelegen gebieden en dies meer.

BESPARINGEN

Flexibiliteit, minder logistiek, lagere kosten vormen een mix waarmee AM op steeds meer gebieden interessante resultaten kan voorleggen. Zo heeft de Britse defensiespecialist BAE met AM al onderdelen voor de Tornado-gevechtsstraaljager geproduceerd, zoals afdekkingen in kunststof voor boordradio’s en onderdelen van de luchtinlaatklep, die aan boord van die vliegtuigen worden gemonteerd. Dit zou de onderhoudskosten van dergelijke onderdelen in de komende vier jaar met ca. 1,2 miljoen pond drukken, en heeft al voor 300.000 pond besparingen opgeleverd. Begin dit jaar heeft BAE tevens een Tornado met een in titanium uitgevoerd en met AM geproduceerd onderdeel in de vleugel laten vliegen. Een 1,2 m groot onderdeel van een vleugelrib, werd het onderdeel in 37 uur – van ontwerp tot oplevering – met AM geproduceerd, terwijl dit met ‘klassieke’ methoden weken, zoniet maanden zou hebben geduurd. Vliegtuigbouwer EADS hoopt onder meer door meer geoptimaliseerde ontwerpen van vleugelonderdelen tot 80 procent aan gewicht te kunnen besparen.

Bij vliegtuigmotorenbouwer Rolls-Royce wordt dan weer in het Merlin-project gewerkt aan een zuiniger gebruik van grondstoffen bij de bouw van straalmotoren. Met klassieke frees- en boor-productiewijzen heeft men voor één ton vliegtuigmotor vaak een zes ton metaal nodig. Met AM zou dit wellicht tot zo goed als één ton kunnen worden herleid (100 % grondstofgebruik). Een andere motorproducent – P&W – heeft op zijn beurt al AM-geproduceerde onderdelen in zijn PW1500G-motor zitten, en kon dankzij AM de motoren ongeveer 15 maanden sneller ontwikkelen, met een gewichtsbonus van ongeveer 50 procent.

STEVIGE GROEI

Overigens kunnen niet alleen high-tech sectoren als lucht- en ruimtevaart van de AM-voordelen genieten. In de voorbije maanden kon men heel wat mooie voorbeelden noteren in een hele rist sectoren zoals de eveneens sterk AM-gerichte medische sector (implantaten, prothesen, behuizingen van hoorapparaten), de architectuur, de autowereld, de militaire sector, en zelfs de mode-, kunst- en sierradenwerelden.

In de 2013-editie van het Wohlers-rapport wordt de wereldwijde AM-markt (producten en diensten) voor 2012 op 2,2 miljard dollar berekend (een groei met 28,6 procent). Daarvan werd ongeveer 28 procent gespendeerd aan productievoorwerpen (in de medische, aerospace en juwelen-sectoren). Naar verwachting zal de productieomzet uiteindelijk deze van prototypes overstijgen, want in aantallen worden ongeveer 1.000 (of meer) maal meer productie-eenheden dan prototypes voorzien. “De mogelijkheden voor meer commerciële productie-activiteiten in ‘additive manufacturing’ zijn immens,” aldus Tim Caffrey, senior consultant bij Wohlers. Tegen 2015 zou de AM-markt ongeveer 4 miljard dollar waard zijn, 6 miljard in 2017 en 10,8 miljard dollar tegen 2021 (met ca. 80 procent van de omzet uit productiewerk).

OBSTAKELS

Natuurlijk is er wel nog heel wat werk aan de winkel om additive manufacturing tot die succesniveaus te tillen. Wat betreft de AM-technologie zelf zijn er nog grote uitdagingen inzake productiesnelheid, evenals kwaliteit en kostprijs van materialen, het mengen van materialen in een zelfde product (zeker als de aard van de producten sterk verschilt, zoals metaal en kunststof), evenals de kwaliteit en kenmerken van het eindproduct zelf. Zo vereisen heel wat producten nog een nabehandeling met het oog op de gewenste nauwkeurigheid, gladheid en dies meer, wat de kost van AM – nog steeds behoorlijk hoog – verder omhoog kan drijven.

Bovendien zullen rond productievoorwerpen ook al snel vragen rijzen rond kwaliteit (stevigheid, duurzaamheid, conformiteit aan specificaties) en natuurlijk ook aansprakelijkheid bij problemen in het gebruik (wie heeft de fout: het bestand van de ontwerper, de producent van het materiaal of van de AM-machine, de uitvoerder van de job, de gebruiker van het voorwerp…, of een combinatie)! Om niet te spreken over rechtszaken rond intellectuele eigendom (ip), wanneer onderdelen worden gescand en geproduceerd zonder de toestemming van de oorspronkelijke producent. Of na de productie van aangepaste ip-voorwerpen….

Kortom, additive manufacturing heeft niet alleen een schitterende toekomst, maar er zijn ook nog heel wat problemen op te lossen, en heel wat meer personen met ervaring te vormen. Gelukkig kunnen we in België wat dat betreft rekenen op een bijzonder onderlegde kern van gebruikers!

Guy Kindermans