Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - Allerlei rapporten voorspellen een dijkbreuk in 3D-printen en de additieve maakindustrie.
McKinsey verwacht dat 3D-printers tegen 2025 zo’n 30 tot 50% van alle onderdelen en wisselstukken zullen opbouwen en dat dit gepaard zal gaan met een kostenbesparing van 40 à 55%.
De huidige $4 miljard dollar omzet in deze business -waarvan 28% in functionele onderdelen!- zou tegen 2021 groeien naar $10 miljard en tegen 2025 zelfs $230 à 550 miljard. Uiteraard heeft dat een impact op het logistieke gebeuren.
Maar... nauwelijks 1%
Het onderzoek van VIL besluit echter dat vandaag nauwelijks 1% van alle onderdelen en wisselstukken in aanmerking komen voor 3D-printing.
Ook al kan men wisselstukken 3D-printen, het betekent niet altijd dat het ook efficiënter is qua kostprijs, snelheid en printkwaliteit of dat zelfs de nodige materialen beschikbaar zijn. Voor de meeste onderdelen is het nog niet rendabel. De vraag wordt: voor welke wel?
Daarvoor testte het VIL verschillende criteria uit. Het ziet mogelijkheden voor wisselstukken die weinig volume halen en ook nauwelijks roteren. Dan kan er bespaard worden op opslagruimte, transportkosten en kapitaalbeslag. Opportuniteiten doen zich voor als er breuken ontstaan in de toelevering.
Wanneer de leverancier verdwijnt of wanneer een mal of matrijs vervangen moet worden. Wanneer levertermijnen van belangrijke onderdelen zo lang worden dat de productie dreigt stil te vallen. VIL ontwikkelde met Berenschot een softwaretool die bedrijven helpt om precies die onderdelen er uit te filteren die economisch rendabel 3D-geprint kunnen worden.
Dat vergt echter een input van data die bedrijven vandaag vaak niet hebben noch systematisch bijhouden: exacte productafmetingen, samenstelling, 3D-bestand, certificatie-eisen, IP,...
België wereldtop
«We staan in België aan de top van de wereld in additive manufacturing», zei Stijn Lambrechts van het technologische centrum Sirris enthousiast, wijzend naar Materialise, Layerwise - ondertussen deel van het Amerikaanse 3D Systems - en Sirris zelf dat al 25 jaar ervaring heeft terzake.
«Bovendien zijn industriële toepassingen met 3D-printen al de dip nà de hype voorbij!», wijzend op de grafiek die de 'tocht door de woestijn' illustreert. Vier drivers sporen concrete toepassingen aan: materiaal-efficiëntie (lichtgewichtstructuren), de optimalisering van flows (bijvoorbeeld conformal cooling) die op een klassieke manier niet te realiseren zijn, massa customizaties (zoals hoorapparaten, chirurgische geleiders, tandimplantaten).
Hij wees naar GE die dit jaar injectienozzles voor de reactiemotor van het Leaf-passagiersvliegtuig in 3D zal printen. De 3D geprinte nozzle integreert 18 componenten in één, weegt 25% lichter en heeft een vijf keer langere levensduur. «Je kan vandaag functionele onderdelen maken met 3D-printing».
Succesvolle businessmodellen
Logistieke dienstverleners of verladers denken op drie manieren voordeel te halen uit 3D-printen. Via rationalisaties, betere bruto marges - door producten te maken die beter aan de behoeften van de klant beantwoorden - en door in te spelen op nieuwe business en opportuniteiten.
«Bij welke processen kan 3D-printen de grootste impact hebben?» vroeg Onno Pontfoort, senior management adviseur bij Berenschot die op zoek ging naar succesvolle businessmodellen. De studie komt uiteindelijk tot 9 businessmodellen en 3 gebruikscases op basis waarvan een selectietool - een stappenplan - ontwikkeld werd om de opportuniteit van 3D-printen in de logistiek te bepalen.
De assortimentsrationalisatie vergt eerst een kosten-batenanalyse. «Start ermee als je het nog niet doet. Maar besef dat elk wisselstuk een eigen leerpad heeft». Want niet alle nodige informatie is steeds aanwezig in het bedrijf. Het WMS kent wellicht wel het formaat van de verpakkingsdoos maar niet de maten van het product zelf. Het al dan niet hebben van de 3D-files bepaalt of je prijs concurrentieel kan zijn.
3D-printen erbij halen om te rationaliseren ziet hij vooralsnog als ‘toekomstmuziek’. Ongetwijfeld zullen 3D-print technologieën een grote impact hebben op de logistieke keten maar het vereist gepaste business modellen om er efficiënt mee om te gaan.
Een adequate selectie van de printbare stukken is nodig. Daarin kan men inpikken op ‘opportuniteiten’ maar het vergt wel investeren in 3D-printing competenties.
ASML optimaliseert zijn procesflow en kosten
Voor de productie van chips bouwt ASML machines die tot 0,25 nanometer nauwkeurig zijn, versnellingen halen van meer dan 15 G en dat 300 keer per minuut. Het is geïnteresseerd in 3D-printing omdat je er componenten mee kunt bouwen die de huidige stoorkrachten kunnen verminderen, een lichter én stijver design realiseren en ook het thermisch gebeuren beter beheersen.
Vandaag maakt het bedrijf met 3D-providers als Melotte, Layerwise en Materialise al 30 verschillende stukken via 3D-printing via SLM (selective laser melting), SLS (selective laser sintering) en FDM (fused deposition modeling). Zo heeft het een 3D-geprinte manifold/verdeelstuk dat 90% minder stoorkrachten kent doordat de koelkanalen niet recht gefreesd zijn maar een vloeiender ontwerp kregen.
Een uniformer verdeling van de koelkanalen in een ander stuk verbeterde de temperatuursvariatie met een factor 6. «Met deze technologie kan je nu ook al naast de functionele toepassingen je procesflow en kosten optimaliseren», zei Denis Loncke, manager development precision mechanics.
Hij gaf een voorbeeld van een box met koelkanelen waarvan de productie typisch 34 processtappen vergde en 21 weken. 3D- printen bracht dat terug tot 9 processtappen en 6 weken, met bovenop een kostenreductie van 20%. «En dat alles met een één op één replicatie zonder 3D-optimalisaties».
Je kan sneller op de markt komen met een product omdat de 'design' cyclus sneller doorlopen kan worden. «Het ontwerp van de manifold kende 5 iteraties op 10 à 12 weken vooraleer het product optimaal was. In een klassieke productie kom je op die tijd slechts door één iteratie».
De vernieuwde manifold kan anderzijds wel ‘duurder’ zijn, maar met een hogere bouwsnelheid en accurater productie die minder nabewerking vergt, kan ook de prijs beter.
GC Europe zet tanden in 3D-printing
De dentale markt kende 15 jaar geleden al zijn eerste 3D geprinte realisatie. «Vandaag vervallen meerdere patenten waardoor de concurrentie toeneemt en er mogelijkheden geschapen worden», zei Walter Bogaerts, vice-president technical operations bij GC Europe in Haasrode waar sinds 2013 een researchgroep op digitale beeldvorming focust.
Aanvankelijk werden in de sector guides, kronen en bruggen geprint maar nu zijn er ook al ‘tijdelijke’ esthetische producten: tanden. Maar het hele proces begint met het scannen van de mond van de patiënt. Bogaerts heeft het over ‘intra-orale scanners’ die mettertijd de klassieke afdrukken zullen vervangen.
Vandaag werkt GC nog met een scanner die (manuele) afdrukken van de mond scant en daarmee STL-bestanden bouwt om 3D te printen. Hij verwacht dat eerst de dentale gipsen en dan de manuele afdrukken verdwijnen. GC Europe heeft in Leuven enkele kleinere testmachines.
De R&D-groep wordt uitgebreid. «We hebben het aanleren van de software voor 3D-printen onderschat. Er zijn al enkele realisatie maar we testen materialen en machines om te leren. Wel wordt 3D printen in onze strategie voor het komende jaar belangrijk».
Atlas Copco: one-off parts, specials en spare parts
«We begonnen klein, met prototyping», vertelde Jan Corne, projectleider AIRnet bij Atlas Copco. «De focus ligt nu op one-off parts, specials en spare parts». Atlas Copco heeft zo’n 250.000 SKU’s waarvan er 150.000 bewegen. In stock zitten er 45.000 waarvan slechts 10% elke week verkocht worden...
Atlas Copco gebruikte de tool van Berenschot/VIL en paste het aan zijn ERP-systeem aan om na te gaan welke stukken in aanmerking kwamen voor 3D-printen. Het filterde commodities weg die niet 3D-printbaar waren, off-the-shelf verkrijgbaar en makkelijk te produceren waren.
Van de oorspronkelijke 82 stukken bleven er 17 over. Van die 17 schrapte het stukken die ‘approvals’ vergen. Toen bleven er nog 13 stukken over. «We focussen op castings, smeedstukken en plastic onderdelen». Een beveiligingskap voor een scharnier, waarvan de mal verdwenen was, werd met SLS 3D-geprint in PA12.
Deze ‘opportuniteit’ was alvast goed voor een kostenreductie van 35%. Er wordt nu ook onderzocht of de drie componenten van een ventilatorkap in één stuk geïntegreerd en 3D-geprint kan worden in PP. Metalen stukken bleken anderzijds zeer duur te worden.
Een aluminium spuitstuk dat zandgegoten wordt, kost 335 euro maar als je het 3D-print stijgt het kostenplaatje naar 3.225 à 4.900 euro. Een messingkoppeling die in de markt niet meer beschikbaar was, werd reverse ge-engineered via 3D-scanning en in titanium geprint met EBM (Electron Beam Melting). Deze elleboog die tegen 350 bar druk opgewassen was, kostte zo’n 320 euro.
Via klassieke bewerking zou maar een derde kosten. «We zien een positieve case vooral voor end-of-life stukken en producten met een heel hoge opportunity cost». Maar het is niet zonder uitdaging. «Het vergt heel veel engineering om de STL-bestanden te creëren. Ook de creatiekost zelf moet getest worden».
Siemens: brug naar Industrie 4.0
«Intern passen we additive manufacturing al sinds 1989 toe», zegt Jurgen De Wever, business development manager bij Siemens. Binnen het bedrijf was men op een 7-tal plaatsen en met enkele tientallen medewerkers bezig met 3D-printen.
«We brengen die competenties nu samen in een internationale groep.» Kost, tijd en kwaliteit zijn de criteria waartegen getoetst wordt. «Al heel gauw wordt het zeer complex». Er zijn snel zoveel competenties aan te spreken dat je wel moet samenwerken met anderen. Voorbeelden van producten zijn oordoppen voor hoorapparaten, een motorstoel voor een droogkast,... Vandaag produceert Siemens via 3D printen statische bladen voor gasturbines.
«Om een grotere efficiëntie te halen kunnen we via deze weg de design van de schoepen verbeteren en de koeling optimaliseren». 3D-printen zorgt er voor een vier maal sneller rapid prototyping proces. De techniek wordt ook aangewend voor ‘snelle herstellingen’.
De afgesleten tip van een brander wordt 8 cm diep weggefreesd en op die basis wordt de tip er weer op geprint. De herstelling bespaart een 30% in kostprijs en is ook 90% sneller uitgevoerd. Op 48 uur in de plaats van 6 maanden. «Dergelijke business case gaat er door bij de klant».
In spoorwegtoepassingen heeft de producent veel maatwerk, geen al te grote series maar wil de klant 25 tot 40 jaar lang zijn wisselstukken gegarandeerd hebben. «Added manufacturing helpt de kost van die garantie te realiseren». De Wever ziet in de technologie een brug naar de zogenaamde Industrie 4.0. Een uitdaging.
«Momenteel is de technologie niet te integreren als je een kwaliteit wil van slechts 11 dpm (defects per million). Die integratie moet perfect zijn».
(foto's: GE, Siemens, LDS)
Luc De Smet, Maintenance Magazine
Namen deel aan de studie: Atlas Copco, Basf, Bpost, Carglass, DHL, Eriks+Baudoin, Facil, GC Europe, H.Essers, SDV, Siemens, Van Hool en Volvo. Het rapport 'Opportuniteiten van 3D printing voor de wisselstukkenlogistiek' is verkrijgbaar bij het VIL.
