Drei Bereiche, die die 10.6 Milliarden Dollar schwere 3D-Druckindustrie zurückhalten

Das Marktforschungsunternehmen SmarTech Analysis hat kürzlich seine Daten für die Branche der additiven Fertigung (AM) veröffentlicht. Es stellte fest, dass im Jahr 2021 der 3D-Drucksektor erreicht wird 10.6 Milliarden Dollar im Umsatz, ohne die Umsätze im Zusammenhang mit Hardware-Wartungsverträgen und Nachbearbeitungsgeräten. Das Unternehmen geht weiter davon aus, dass AM bis 50 auf über 2030 Milliarden US-Dollar wachsen wird.

Dieses Wachstum ist eng mit dem Trend verbunden, dass große Hersteller die Technologie zunehmend für die Massenproduktion einsetzen werden. Damit AM jedoch eine breite Akzeptanz erreichen kann, muss es in drei entscheidenden und miteinander verbundenen Bereichen deutlich vorankommen: Durchsatz, Fabrikintegration und Qualitätskontrolle. Zum Glück für die Industrie sind dies alles auch Themen, die aktiv angegangen werden.

3D-Druckdurchsatz

Aufgrund seiner Wurzeln als Prototyping-Technologie wurde der 3D-Druck nie für die Massenproduktion konzipiert. Stattdessen war seine Fähigkeit, komplexe Formen zu erstellen, auf Einzelstücke oder Kleinserienfertigung beschränkt. Aus diesem Grund haben Unternehmen in der gesamten 3D-Druckindustrie daran gearbeitet, Systeme zu entwickeln, die viele Teile so schnell wie möglich herstellen können, ein Konzept, das als Durchsatz bezeichnet wird.

Zu den führenden Unternehmen in dieser Hinsicht gehört HP, das Jahre damit verbracht hat, die Technologie zu erforschen, bevor es schließlich Technologien vorstellte, die eine schnelle Produktion sowohl in Kunststoffen als auch in Metallen ermöglichen. Der 2D-Druckgigant hat sein Know-how bei Tintenstrahldruckköpfen mit einer Technologie namens Multi Jet Fusion (MJF) auf den 3D-Druck übertragen. MJF wird bereits verwendet, um große Chargen von Polymerteilen für alles herzustellen Brillen zu Lebensmittel-Bots.

Dies ist erst der Anfang für das Unternehmen, das jetzt seine Metal Jet-Technologie einführt. Eine Form des sogenannten „Metal Binder Jetting“, Metal Jet scheidet ein flüssiges Bindemittel auf Metallpulver ab, wodurch eine Komponente entsteht, die dann in einem Ofen gesintert werden muss. So große Kunden wie Volkswagen investieren in die Technologie mit dem Plan, bis zu einer Massenproduktion zu produzieren 100,000 Metallkomponenten jährlich für Verbraucherfahrzeuge.

HP ist jedoch nicht das einzige Unternehmen in diesem sich schnell entwickelnden Bereich. Ein weithin publiziertes Startup namens Desktop Metal arbeitet daran, das Jetting von Metallbindern zu beschleunigen. Auch GE arbeitet an einer eigenen Version der Technologie. Insgesamt läuten diese Unternehmen eine Ära ein, in der kostengünstige Metallpulver für den 3D-Druck einer großen Anzahl von Teilen in einem einzigen Auftrag verwendet werden können, was möglicherweise die Kostenstruktur für den 3D-Metalldruck insgesamt verändert.

Das bedeutet, dass sie es mit den etablierten Marktführern im 3D-Metalldruck aufnehmen werden, die sich normalerweise darauf verlassen, dass teure Metallpulver mit leistungsstarken Laserstrahlen bestrahlt werden. Diese Unternehmen arbeiten auch daran, den Durchsatz zu erhöhen, indem sie hinzufügen bis zu 12 Laser zu ihren Maschinen.

3D-Druckfabriken

Während eine Flotte von 3D-Druckern in der Lage sein kann, in großen Mengen zu produzieren, bedeutet das nicht, dass sie notwendigerweise in einen bestehenden Fabrikbetrieb passen. Dies liegt zum großen Teil daran, dass ihnen Software auf Massenproduktionsebene fehlt.

Nun ist eine Handvoll Startups entstanden, die sich der Herausforderung stellen, AM-spezifische Software für Manufacturing Execution Systems (MES) zu entwickeln. Diese Tools ermöglichen es, eine Flotte von 3D-Druckern zu verwalten und sie mit der bestehenden Produktionssoftware eines Unternehmens zu verbinden. Sie unterstützen in der Regel den gesamten Arbeitsablauf von der Bestellung bis zur Fertigung. Das bedeutet Angebotserstellung und Nachverfolgung von Bestellungen, Druckdateivorbereitung, Druckauftragsüberwachung und Datenerfassung, Warteschlangen für die Druckerflotte, Qualitätskontrolle und Versand.

MES-Software verbindet sich notwendigerweise mit den bestehenden Software-Tools eines Unternehmens. Dazu gehören Product Lifecycle Management (PLM), Enterprise Resource Planning (ERP) und allgemeine IT-Software. Während PLM die bevorzugte 3D-Modellierungssoftware eines Unternehmens umfassen kann, umfasst ERP alles von Gehaltsabrechnungsprogrammen bis hin zu Tools zur Verfolgung der Gesamtfinanzen.

MES-Plattformen arbeiten jetzt daran, die gesamte Software, mit der ein Hersteller möglicherweise bereits arbeitet, zu übernehmen und 3D-Druck in den Mix einzufügen. Sie beschränken sich jedoch nicht nur auf AM. Viele MES-Entwickler möchten eine Verbindung zu anderen Produktionsanlagen wie CNC-Maschinen herstellen. Mithilfe von maschinellem Lernen kann dann der gesamte Arbeitsablauf automatisch verbessert werden, da Daten von jedem Auftrag und jedem Maschinenjob in den Arbeitszyklus zurückfließen. Künstliche Intelligenz erweitert die Fähigkeiten von MES-Software erheblich.

3D-Druckqualitätskontrolle

Das vielleicht größte Hindernis für eine weit verbreitete Einführung von AM ist die Qualitätskontrolle. Dies liegt daran, dass beim Additiv jeder Teil unterschiedlich ist. Jeder Punkt auf der Konstruktionsplattform kann etwas anders sein und selbst die kleinste Variation eines Druckparameters kann die Mikrostruktur des gedruckten Objekts verändern.

Ein Objekt, das in einem Winkel gedruckt wird, ist wiederum nicht dasselbe wie eines, das in einem anderen gedruckt wird. Und da Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden, ist es schwierig, die inneren Geometrien eines Artikels nach Abschluss des Druckvorgangs zu validieren. Daher ist die einzig wahre Möglichkeit, die Qualität eines gedruckten Objekts sicherzustellen, ein CT-Scan, normalerweise eine kostenintensive Methode zur Inspektion einer Vielzahl von Teilen.

Glücklicherweise sind nicht nur neuere CT-Scansysteme mit niedrigeren Preisen auf den Markt kommen, aber es gibt andere Werkzeuge, die verwendet werden, um die Qualität der gedruckten Teile sicherzustellen. Darunter auch die Computersimulation. Unternehmen wie ANSYS haben Software entwickelt, die alle Fehler, die während des Druckvorgangs auftreten, antizipieren kann und kompensieren für Sie. Hexagon geht hier noch einen Schritt weiter Probleme vorhersagen auf mikroskopischer Ebene.

Unterdessen haben Firmen wie Sigma Labs und Additive Assurance Hardware entwickelt, um die Baukammern von Metall-3D-Druckern zu überwachen und Fehler zu erkennen. Zunehmend werden diese Tools aktives Feedback ermöglichen, damit die Maschinen Probleme während des Druckprozesses schnell beheben können. In Verbindung mit MES-Software und 3D-Drucksimulation können die Geräte aus vergangenen Fehlern lernen und diese beheben, bevor sie in der Zukunft überhaupt auftreten.

Insgesamt schreiten diese Bereiche mit unglaublicher Geschwindigkeit voran, zum großen Teil, weil Hersteller den Wert darin sehen, Objekte aus digitalen Dateien auf Abruf produzieren zu können. Da so große Unternehmen wie Ford, GE und Siemens auf den 3D-Druck setzen, um hochwertige Endteile herzustellen, treiben sie den gesamten Additivmarkt dazu, sich ihren Bedürfnissen anzupassen. Um bis zum Ende des Jahrhunderts satte 50 Milliarden US-Dollar zu erreichen, muss die 3D-Druckindustrie in der Lage sein, Millionen von Teilen für diese Kunden herzustellen.