Когда 3D печать нужна для массового производства

Содержание

• О массовом производстве
• Плюсы и минусы 3D печати для серийного производства
• 3D печать для массового производства в действии
• Потребительские товары
• Автомобильная промышленность
• Медицина и здравоохранение
• Итог

3D печать — это быстрый, дешевый и гибкий инструмент для создания прототипов и изготовления небольших партий уникальных деталей. Но имеет ли смысл использовать её для производства больших объемов?

Распространенное мнение гласит, что при производстве более 10 000 экземпляров одной детали переход на литьё под давлением или другой традиционный метод производства становится более экономичным. Зачастую эффект масштаба проявляется при гораздо меньших объемах.

Однако аддитивное производство обладает уникальными особенностями, которые при определенных обстоятельствах делают его не только более экономичным, но и более быстрым способом производства качественных и эффективных деталей.

Идея массового аддитивного производства не нова и уже реализуется известными компаниями, о которых мы расскажем ниже. Производители обращаются к 3D-печати для крупносерийного производства по трём основным причинам:

• Производимая деталь имеет геометрию или особенности, которые невозможно изготовить иным способом;
• Каждая деталь в объёме производства должна быть уникальной и изготовленной по индивидуальному заказу;
• 3D печать используется как временное производственное решение для соблюдения сроков или преодоления проблем/задержек, возникающих при использовании традиционных методов.

Однако для большинства производителей 3D печать для массового производства экономически невыгодна и создает больше препятствий, чем преимуществ.

О массовом производстве

Прежде чем углубляться в преимущества аддитивного массового производства, давайте определимся, что мы подразумеваем под производственной 3D печатью.

Когда аддитивное производство переходит от мелкосерийного к массовому, свыше 1000 деталей, 10 000 деталей? Единого общепринятого определения «массового», «серийного» или «крупносерийного» производства не существует, поскольку это зависит от отрасли и продукта.

Например, если вы производитель часов премиум-класса, то 3D печать 300 титановых корпусов — это большой объем, но для крупного автопроизводителя 3D печать 10 000 алюминиевых кронштейнов — это капля в море.

В данной статье мы будем считать аддитивным массовым производством печать от 500 до 10 000 деталей, в зависимости от области применения. Чтобы считать производство серийным, оператор должен напечатать не менее сотен деталей за один цикл.

Плюсы и минусы 3D печати для серийного производства

Аддитивное массовое производство принесло значительные преимущества компаниям, использующим его. Эти компании преодолели технические и технологические трудности и, что самое главное, нашли применение, которое идеально соответствует преимуществам аддитивного массового производства.

Преимущества

Тестовое производство. Использование 3D принтеров для серийного производства деталей или изделий до запуска массового производства традиционными методами — это своего рода тестовое производство, временный зазор между идеей продукта и массовым производством. Этот метод позволяет производителям значительно быстрее выводить новые продукты на рынок, что позволяет оценить рыночный спрос и, возможно, вносить изменения в продукт. Изменения после традиционного производства обходятся значительно дороже, поскольку вы вложили средства в создание пресс-форм и инструментов. 3D печать позволяет вывести свой продукт на рынок раньше конкурентов, даже если еще предстоит внести некоторые изменения.

Тестовое производство также является запасным планом на случай задержек или простоев оборудования в традиционном производстве. Возможность массового производства продукта с помощью 3D печати исключает простои и обеспечивает избыточность производства, независимо от того, используете ли вы 3D печать на собственном производстве или передаете аддитивное производство поставщику услуг.

Свобода проектирования. Большинство компаний, использующих 3D печать для массового производства сегодня, выбрали аддитивное производство, потому что деталь, которую необходимо изготовить, просто невозможно произвести другим способом. Повышение производительности деталей при 3D печати перевешивает более высокую стоимость аддитивного производства.

Например, уменьшение размера и веса металлической детали за счет 3D печати с использованием внутренних решетчатых структур дает преимущество в стоимости производства. Аналогично, производители могут печатать на 3D принтере цельными более эффективные компоненты, которые ранее формовались литьем под давлением по 10 штук и собирались вместе. Общая экономия затрат очевидна, даже несмотря на то, что 3D печать дороже литья под давлением.

Массовая кастомизация. Совершенно уникальной для аддитивного производства является концепция массовой кастомизации, которая означает, что каждая деталь в производственном цикле может быть уникальной, а не точно такой же, как при литье под давлением. До печати детали, изготовленные методом аддитивного производства, существуют только в виде цифровых CAD-файлов, поэтому на этом этапе можно легко модифицировать изделия в соответствии с потребностями клиента, предлагая более востребованные и персонализированные варианты. Например, производитель бритв Gillette использовал 3D-ъ печать для массового производства индивидуальных ручек для бритв. Еще один яркий пример массовой кастомизации — 3D печатные элайнеры, печатаемые сотнями за один раз.

Гибкость производства. Ввиду отсутствия инструментов и других производственных потребностей традиционного производства, 3D принтеры могут мгновенно начать производство различных деталей или новых версий, экономя производителям деньги и время, связанные с переоснащением.

Локальное производство. Недавние сбои в глобальных цепочках поставок выявили уязвимость традиционного производства. 3D принтеры позволяют производить детали как на месте, так и у местного поставщика услуг, полностью исключая необходимость в сроках поставки и перебоях в цепочке поставок. Используя поставщиков услуг по всему миру, можно также организовать распределенное производство, отправляя детали на печать как можно ближе к конечному потребителю, избегая транспортных расходов.

Более быстрое производство. Производители знают, что 3D печать быстрее традиционного производства прототипов, но 3D принтеры могут производить функциональные детали промышленного качества круглосуточно с минимальным контролем — при наличии подходящего программного обеспечения, оборудования и соответствующих технологических процессов.

Устойчивость. Аддитивное производство для массового производства использует меньше сырья, чем субтрактивные методы производства, такие как фрезерование с ЧПУ, позволяет производить продукцию ближе к месту её потребления и не работает по принципу минимального количества, что может привести к излишним отходам. Компании могут печатать только то, что им нужно.

Минусы

Высокосерийное аддитивное производство — не лучшее решение для каждого продукта, и многие компании сочтут многоэтапный процесс создания продукта, от разработки программного обеспечения до доставки, сложным. Ниже приведены некоторые причины, по которым не стоит выбирать 3D печать для производства больших партий продукции. Однако имейте в виду, что передача массового производства на аутсорсинг поставщику услуг 3D печати позволит решить многие из этих проблем.

Высокие первоначальные затраты. Для 3D печати больших партий своими силами понадобятся мощные 3D принтеры или даже несколько 3D принтеров, что является значительными инвестициями. Также потребуется приобрести материалы и программное обеспечение, а также разработать и внедрить совершенно новый цифровой и ручной рабочий процесс.

Проектирование для аддитивного производства. Большинство компаний, использующих 3D печать для производства больших партий, сегодня производят детали, специально разработанные для этой технологии. Традиционное и аддитивное производство требуют разных принципов проектирования. Инженерам и конструкторам, привыкшим работать с традиционными методами, может быть сложно перейти на проектирование для аддитивного производства (DfAM), чтобы максимально эффективно использовать 3D печать. Кроме того, затраты на переобучение персонала могут быть значительными. Печать на 3D принтере той же детали, которую вы уже обрабатываете на станке или изготавливаете методом литья, в больших объемах без перепроектирования практически никогда не является хорошей идеей.

Проблемы с повторяемостью. Повторяемость означает способность 3D принтера многократно производить идентичные детали. Однако машины могут быть очень чувствительными, и даже небольшие изменения в калибровке или материале могут привести к ошибкам печати. Удаление неудачных отпечатков и повторная калибровка принтеров могут занять много времени и привести к производственным потерям.

Квалифицированная рабочая сила. Для массового аддитивного производства собственными силами потребуется квалифицированная рабочая сила. Хотя один рабочий может управлять несколькими 3D принтерами, найм опытного персонала или переобучение существующих сотрудников работе с оборудованием может быть дорогостоящим.

Затраты на материалы. Производители 3D принтеров добились значительных успехов в использовании тех же материалов, что и для литья под давлением, и в использовании материалов сторонних производителей. Однако многие до сих пор могут гарантировать качество только при использовании фирменных материалов, которые, как правило, стоят дороже.

Отсутствие стандартов. Технологии и материалы в индустрии 3D печати пока не стандартизированы в той же степени, что и в традиционном производстве. Таким образом, производители, полагающиеся на сертификаты безопасности или качества, пока не могут уверенно внедрять технологии АМ в больших масштабах.

Постобработка. Практически все детали, напечатанные на 3D принтере, требуют определенной постобработки, начиная от удаления поддержек и заканчивая отверждением, спеканием, шлифовкой, сглаживанием, покраской и даже фрезерованием с ЧПУ для обеспечения более жестких допусков. На предприятии массового аддитивного производства должен быть налажен отлаженный рабочий процесс для перемещения деталей с принтеров через различные этапы постобработки.

3D печать для массового производства в действии

Хотя существует множество впечатляющих исследований, подтверждающих эффективность концепции аддитивного массового производства — как завершенных, так и находящихся в процессе разработки — ниже мы демонстрируем реальные примеры крупносерийной 3D печати, которые решают производственные проблемы и создают инновационные продукты для компаний по всему миру.

Потребительские товары

Кроссовки Adidas 4DFWD

Компания: Adidas

Продукт: Промежуточная подошва для беговых кроссовок 4DFWD

Количество деталей: более 2 миллионов

Причина: AM обеспечило уникальную форму, невозможную с помощью других производственных технологий.

Технология: печать смолой

Adidas 4DFWD — самые распространенные в мире кроссовки, напечатанные на 3D принтере, мировые продажи которых исчисляются миллионами. Решетчатая межподошва 4DFWD, напечатанная на 3D принтере, — это уникальная конструкция, которая, по заявлению Adidas, воплощает в себе физические законы, присущие этим передовым беговым кроссовкам. Запатентованная форма ячеек FWD преобразует вертикальные ударные силы, возникающие при движении бегуна вниз, в импульс. Такую решетчатую структуру невозможно изготовить методом литья под давлением или механической обработки. Технология углеродной 3D печати также используется для массового производства наполнителей для бейсбольных перчаток Rawlings, шлемов для NFL и велосипедных сидений для Specialized.

Паттеры и айроны для гольфа Cobra

Компания: Cobra Golf

Продукт: King Putter Series, айроны Limit3D, айроны 3DP Tour

Количество деталей: более 30 000

Причина: AM обеспечило уникальную форму, невозможную при использовании других технологий производства.

Технология: Multi Jet Fusion

Компания Cobra обратилась к 3D печати, чтобы улучшить баланс веса своих паттеров и айронов благодаря использованию сложных решетчатых структур вместо цельного материала.

Семейство паттеров King, напечатанных на 3D принтере, состоит из трех моделей трех различных форм. Есть модель с увеличенным лезвием, которая возвращает название Supersport-35, впервые появившееся в прошлогодней лимитированной версии, а также паттер в форме клыка SuperNova и паттер в форме молотка Agera. Во всех моделях используется напечатанный на 3D принтере нейлоновый решетчатый картридж, который составляет основу конструкции паттера, а корпус изготовлен из кованого алюминия и вольфрама.

Новое семейство айронов, напечатанных на 3D принтере из нержавеющей стали 316, обеспечивает «самую щадящую форму на рынке», заявляет компания.

Индивидуальные фигурки Hasbro

Компания: Hasbro

Продукт: Фигурки серии Selfie

Количество деталей: более 5000

Причина: AM обеспечило индивидуальную форму, невозможную с помощью других производственных технологий.

Технология: печать смолой

В конце 2022 года производитель игрушек Hasbro официально запустил свою программу Selfie Series, которая позволяет наносить лицо на тело фигурки. Hasbro изготавливает тела методом литья под давлением, но лица генерируются клиентами, которые сканируют свои лица и используют специальное приложение. Эти индивидуальные цифровые файлы лиц печатаются на 3D принтерах Formlabs в виде уникальных голов кукол десятками одновременно.

Коллекция оправ для очков Monoqool

Компания: Monoqool

Продукт: Оправы для очков

Количество деталей: более 2000

Причина: AM предоставила метод массовой кастомизации, невозможный при использовании других производственных технологий.

Технология: Селективное лазерное спекание

Monoqool — датский производитель и продавец оправ для очков, напечатанных на 3D принтере. Компания предлагает широкий выбор уникальных моделей оправ для очков, изготовленных методом 3D печати. Оправы легкие и безвинтовые, изготовлены из цельного полиамидного порошка. Компания выбрала 3D печать благодаря её возможности более экономичного производства индивидуальных изделий, проходящих несколько этапов производства, включая окраску, полировку и сборку. Monoqool использует гибкость 3D печати, чтобы быстро реагировать на модные тенденции в мире очков.

Кисточки для туши Chanel

Компания: Chanel

Продукт: Кисточка для туши Volume Stretch

Производство: 250 000 деталей в неделю

Причина: AM обеспечило уникальную форму, невозможную с помощью других технологий производства.

Технология: селективное лазерное спекание

Кисточка для туши Volume Stretch люксового бренда Chanel производится в промышленных масштабах с помощью 3D печати. Чрезвычайно точная форма щеточки состоит из пяти наборов щетинок, имплантированных в эллипс с полым сердечником, — такую форму невозможно получить без технологии 3D печати. Конструкция была разработана и запатентована французским производителем Erpro и изготовлена из полиамидного порошка на основе порошка Rilsan от Arkema.

Автомобильная промышленность

Запчасти для автобусов и грузовиков Daimler

Компания: Daimler

Продукт: Запчасти для автобусов

Количество деталей: более 40 000

Причина: AM обеспечило более эффективный процесс поставки запасных частей

Технология: полимерная лазерная литьевая порошковая печать

Daimler Truck, один из крупнейших в мире производителей коммерческих автомобилей, запустил программу серийного аддитивного производства для автомобилей, чтобы предоставить сертифицированным партнерам Daimler Buses возможность производить запасные части локально, что значительно сократит время простоя автомобилей и повысит эффективность технического обслуживания, сообщает компания.

Новое разработанное решение позволяет сертифицированным партнерам по 3D печати производить различные запасные части на месте, включая компоненты подкапотного пространства и элементы салона, такие как штифты, крышки и вставки. Децентрализация производственного процесса позволяет сервисным партнерам добиться большей гибкости и эффективности, сокращая время, необходимое для получения запчастей, до 75%.

Расход топлива тракторов John Deere 6R и 6M

Компания: John Deere

Продукт: Расход топлива тракторов John Deere 6R и 6M

Количество деталей: более 4000

Причина: AM обеспечило более эффективную форму детали при вдвое меньшей стоимости по сравнению с традиционным производством

Технология: струйная печать металлическим связующим

Когда инженеры международного производителя сельскохозяйственного и газонного оборудования John Deere разработали более эффективный расход топлива, они создали его прототип с использованием технологии Metal Jet от HP. Версия, напечатанная на 3D принтере, прошла испытания настолько успешно, что компания решила использовать эту технологию для готовых деталей, поскольку традиционное производство потребовало бы внесения изменений в конструкцию, что снизило бы эффективность. После сотрудничества с HP и контрактным производителем присадок GNK из Германии компания John Deere обнаружила, что печать тысяч таких деталей обойдется на 50% дешевле, чем их механическая обработка, а производство — быстрее.

Лопатки турбинных двигателей Boeing

Компания: Avio Aero – дочерняя компания GE Aviation

Продукт: Турбинные лопатки для Boeing 777X

Количество деталей: 60 000 в год

Причина: AM обеспечивает более эффективную деталь, расходуя меньше материала и работая быстрее

Технология: электронно-лучевая плавка

На своем заводе в Камери, на севере Италии, Avio Aero – дочерняя компания GE Aviation – занимается аддитивным производством турбинных лопаток, используемых в двигателе GE9X для самолетов Boeing 777X следующего поколения. На заводе Avio Aero установлено более 35 3D принтеров, каждый из них может одновременно печатать шесть турбинных лопаток примерно за три дня. Лопатки из титанового сплава, изготовленные методом аддитивного производства, вдвое легче традиционных турбинных лопаток из никелевого сплава, используемых в авиации, что обеспечивает снижение расхода топлива на 10%.

В партнерстве с Safran Aircraft Engines компания GE Additive также использует аддитивное производство для производства более 30 000 топливных форсунок для коммерческих самолетов. Общий вес форсунок был снижен на 25%, и удалось объединить несколько деталей форсунок в одну.

Медицина и здравоохранение

Имплантаты для эндопротезирования тазобедренного сустава

Компания: Stryker

Продукт: Медицинские имплантаты

Количество деталей: более 1 миллиона

Причина: Аддитивное производство позволяет создавать уникальные формы, недоступные при использовании традиционных технологий производства, более низкая стоимость и более короткие циклы разработки продукции

Технология: Лазерная полимеризация порошка

Stryker — один из крупнейших в мире производителей медицинских изделий, обладающий собственными мощностями 3D печати. Компания производит изделия и имплантаты, используемые в ортопедической хирургии, включая операции на коленном, тазобедренном, плечевом, голеностопном суставах, черепно-челюстно-лицевой хирургии и хирургии позвоночника.

Несколько лет назад они перешли на массовое производство с использованием 3D печати, поскольку их технология врастания Tritanium обеспечивает более быструю регенерацию и срастание костей у пациентов. Геометрия металлических деталей, обеспечивающая использование Tritanium, невозможна при использовании традиционных методов производства.

Чехлы и детали для слуховых аппаратов

Компания: Sonova

Продукт: Слуховые аппараты

Количество деталей: более 50 000

Причина: AM позволяет создавать уникальные, индивидуальные для каждого пациента формы, которые невозможно производить серийно с помощью традиционных технологий.

Технология: печать смолой

Sonova была одной из первых компаний в мире, применивших технологию 3D печати для массового производства слуховых аппаратов. Сегодня все корпуса для индивидуальных внутриушных слуховых аппаратов, а также различные индивидуальные вкладыши для заушных и внутриканальных слуховых аппаратов производятся с помощью 3D принтеров. Это позволяет оптимально адаптировать форму корпуса к индивидуальным особенностям слухового прохода пользователя и степени потери слуха.

Ортопедические имплантаты и медицинские изделия

Компания: Lincotek Medical

Продукт: Медицинские имплантаты

Количество деталей: 100 000 в год

Причина: AM позволяет создавать уникальные формы, недостижимые при использовании традиционных технологий производства, более низкая стоимость и более быстрая разработка продукции

Технология: Лазерная полимеризация порошка

Lincotek Medical, часть глобальной производственной компании Lincotek, недавно отметила знаменательную веху. С момента внедрения аддитивного производства в 2006 году компания произвела более 800 000 медицинских изделий, таких как ортопедические имплантаты, с использованием этой технологии. Lincotek использует лазерные принтеры EOS для производства более 100 000 имплантируемых изделий в год. Благодаря значительным инвестициям в массовое аддитивное производство, Lincotek может печатать медицинские изделия из самых разных материалов, включая сплавы титана, кобальта, стали и никеля.

С самого начала компания Lincotek ориентировалась на серийное производство и комплексные решения в рамках своих AM-технологий. Благодаря тесной интеграции этапов проектирования, производства и постобработки деталей компания упростила цепочку поставок для своих клиентов и предлагает реальную альтернативу традиционным производственным цепочкам.

Индивидуальные ортопедические имплантаты для обуви

Компания: Phits

Продукт: Ортопедические стельки для обуви

Количество деталей: более 30 000

Причина: AM позволяет создавать уникальные, индивидуальные для каждого пациента формы, которые невозможно производить серийно с использованием традиционных технологий.

Технология: Селективное лазерное спекание

Компания Phits, входящая в состав Materialise, преобразует данные измерений стопы в ортопедические изделия, идеально подходящие для конкретного человека, напечатанные на 3D принтере. Их ортопедические изделия предназначены как для работы, так и для индивидуальных занятий спортом. За одну партию печатается около 50 уникальных пар. С тех пор компания предоставила индивидуальные стельки около 30 000 человек по всему миру, используя производственные мощности в Европе и Северной Америке.

Итог

3D печать постепенно превращается из нишевой технологии в важный инструмент массового производства. Хотя она пока не может полностью заменить традиционные методы, её достоинства, такие как возможность быстрого прототипирования и кастомизации продукции, делают её незаменимой в ряде отраслей.

При правильном использовании 3D печать может значительно сократить время вывода продукта на рынок и снизить производственные затраты. Таким образом, компании, которые интегрируют эту технологию в свои производственные процессы, могут получить конкурентное преимущество и адаптироваться к быстро меняющимся условиям рынка.

Наши предыдущие статьи: