Cu tehnologiile de imprimare 3D, devenind din ce în ce mai mult un pilon în operațiunile moderne de producție, producătorii de echipamente originale (OEM), casele de software, fabricile de imprimare 3D și producătorii contractuali se străduiesc să regleze eficiența și repetabilitatea acestor metode de producție. Variabilitatea în imprimarea 3D a produselor a fost o preocupare majoră a managementului de zeci de ani. Inginerii și managerii de producție acordă o atenție specială consistenței produsului în ceea ce privește precizia dimensională și proprietățile materialului, cum ar fi porozitatea, rezistența, temperatura și rezistența chimică.

fabricație aditivă

Nivelurile actuale de consistență în imprimarea 3D - cunoscute și sub denumirea de „fabricație aditivă” - sunt suficiente pentru multe produse. Acestea includ matrițe, jucării, dispozitive dentare, lentile optice, ochelari, plăci cu circuite imprimate (PCB), unele antene și senzori și piese de schimb din metal și plastic fără greutate pentru locomotive, echipamente industriale grele, avioane și echipamente militare.

Cu toate acestea, aceasta este încă o porțiune relativ mică a pieței potențiale în care această tehnologie de fabricație ar putea fi aplicată dacă ar putea crește consistența producției sale. Înțelegând acest lucru, industria de fabricație aditivă lansează un atac pe scară largă asupra problemei. Asaltul este un efort cu trei direcții care folosește hardware, software și sisteme de management pentru a reduce variabilitatea obiectelor tipărite.

Hardware. Este greu să îmbunătățiți producția de imprimare 3D fără a lua în considerare hardware-ul imprimantelor în sine (de exemplu, motoare, capete de imprimare, lasere), precum și dispozitive hardware, cum ar fi senzori de temperatură, senzori de umiditate și camere cu raze X pentru a monitoriza calitatea și prinzi erorile strat cu strat în timpul procesului de imprimare. Velo3D, un producător californian de imprimante, este un exemplu de companie ale cărei utilaje pot monitoriza piese metalice în timpul procesului de imprimare. Prin utilizarea senzorilor, imprimantele sale pot fi mărite cu un sistem care monitorizează lucruri precum nivelurile de oxigen, umiditatea și nivelurile de pulbere neutilizate. Acest nivel de vizibilitate și control le permite să obțină randamente mai mari și o repetabilitate mai mare pentru multe tipuri de produse fără a fi nevoie de post-procesare (rafinarea produsului după ce a ieșit din imprimanta 3D).

Eforturile de îmbunătățire a procesului de imprimare pot implica, de asemenea, instrumente de fabricație convenționale (subtractive), care sunt utilizate pentru a îmbunătăți consistența strat cu strat. Mașinile 3DEO, un alt producător californian de imprimante, au senzori pentru a valorifica datele în timp real privind precizia dimensională și parametrii de proces pentru a optimiza tipăririle. Pe baza acestor date, mașinile 3DEO utilizează un instrument de tăiere (o micro-freză) care tund marginile și caracteristicile interne, cum ar fi grile și găuri, pentru a atinge toleranțele necesare și geometriile dorite. Tunderea se face strat cu strat.

Software și date. Inteligența artificială și învățarea automată joacă, de asemenea, un rol important în unitatea de a face produsele tipărite 3D mai consistente. Acestea sunt utilizate pentru a optimiza configurația materialelor, caracteristicile de proiectare, setările imprimantei, procesele de imprimare și condițiile de mediu pentru realizarea unui produs. Aceste tehnologii pot crea bucle de feedback de producție care elimină automat defectele de imprimare și pot reduce semnificativ inconsecvențele ieșirilor între imprimante și în timp.

De exemplu, PrintSyst, o nouă companie de software israeliană, a dezvoltat inteligență artificială care sintetizează rezultatele a mii de lucrări de tipărire. Se caută factori care pot ajuta la obținerea unei consistențe mai ridicate, a unor rate de randament, a economiilor de costuri și a oricărei dimensiuni a calității pe care clienții ar putea să o acorde prioritate. Software-ul sugerează apoi tehnologii de imprimare, alegeri de materiale, parametrii mașinii și chiar modificări de proiectare pentru a atinge obiectivele selectate pentru optimizare.

Un software mai vechi pentru orientarea și stivuirea pieselor într-o cameră de construcție a avansat și conține acum algoritmi care efectuează sute sau mii de calcule în câteva secunde până la zero, în modul ideal de a realiza o anumită geometrie într-o imprimantă specificată. Astfel de soluții sunt oferite de giganții globali de tipărire 3D, precum Materialize (Belgia), Siemens (Germania) și Autodesk (Statele Unite). Compania de software din Pennsylvania, ANSYS, furnizează instrumente de proiectare pentru fabricarea aditivelor și simulări de proces pentru piese metalice care permit clienților să obțină un rezultat „corect pentru prima dată”.

Noile platforme de fabricație aditivă - de exemplu, 3DPrinterOS, care este realizat de sistemele de control 3D din California - sunt acum capabile să gestioneze coerența pentru mii de imprimante distribuite pe tot globul. Astfel de platforme pot controla mai multe imprimante 3D de la distanță și pot atribui lucrări în funcție de disponibilitatea și capacitatea mașinilor. În multe situații, 3D Control Systems instalează propriul software pe imprimante, ceea ce permite platformei sale să preia controlul asupra imprimantelor. Acest control este utilizat pentru a îmbunătăți consistența prin prevenirea sau corectarea erorilor obișnuite sau a greșelilor, inclusiv utilizarea fișierelor de imprimare inadecvate, a plăcilor de construire în nivel și selectarea inadecvată a duzelor pentru ieșirea dorită.

Sisteme de management. Această abordare folosește tehnici de management încercate și adevărate pentru a îmbunătăți consistența și fiabilitatea. De exemplu, sistemele transparente de evaluare a furnizorilor și pre-certificările încurajează concurența asemănătoare cu un fel de selecție naturală darwiniană în care realizarea și menținerea coerenței calității este stimulată. Cele mai bune firme câștigă mai multe afaceri, iar celelalte sunt conduse să ajungă rapid sau să piară. Companii precum Xometry și Fictiv, furnizori de piese industriale la cerere, derulează programe de calificare și certificare a furnizorilor strict controlate pentru a încuraja selecția furnizorilor care furnizează piese consistente și de înaltă calitate. Cei mai buni furnizori au acces la locuri de muncă mai mari și cu prioritate mai mare, ceea ce presează pe alți furnizori să își îmbunătățească consistența.

Una dintre metodele de gestionare mai noi include „constrângerea deliberată”, care limitează în mod intenționat utilizarea imprimantelor la intervalele lor optime de randament. Nu toate tehnologiile sunt egale, deci cunoașterea complexității performanței lor în anumite limite, cum ar fi restricțiile de dimensiune, alegerile de material și dimensiunile lotului, permite producătorului să profite din plin de punctele forte ale unei imprimante 3D date. De exemplu, 3DEO își limitează focalizarea la piese metalice mici și complexe, care au un volum maxim de un inch cub. Acest lucru permite 3DEO să nu doar să profite la maximum de imprimantele sale concentrându-se asupra locurilor în care excelează cu adevărat, ci și să-și umple camera de construcție pentru a obține o economie optimă.

Nu toate sursele de variabilitate au fost abordate pe deplin. Acestea includ modul în care aparatele sunt aduse în rețea, precum și forma și structura datelor și fluxul de lucru în și din nodurile din sistem. Cu toate acestea, pe măsură ce firmele dezvoltă protocoale și platforme pentru gestionarea sistemelor lor de fabricație distribuite, aceste probleme vor fi rezolvate în cele din urmă. De exemplu, platformele aditive vor aduna în cele din urmă un set standard de date la nivel de mașină în moduri sistematice care vor face posibilă reducerea semnificativă a variabilității producției.

În lumea actuală a cererii incerte, a producției digitale flexibile, a pandemiilor și a altor perturbări ale comerțului global, va fi mai mare nevoie de producție distribuită și localizată. A lua prea mult timp pentru a schimba producția poate determina companiile să rateze oportunități semnificative, mai ales dacă noile produse nu sunt consistente din start. În consecință, este rezonabil să ne așteptăm la o creștere a utilizării imprimării 3D, ceea ce va crește și mai mult presiunea pentru a-și îmbunătăți consistența.

Richard D’Aveni este profesor de strategie Bakala la Școala de Afaceri Tuck a Colegiului Dartmouth. El este autorul cărții Revoluția Pan-Industrială: Cum vor transforma noi titani producători lumea.

Ankush Venkatesh este cercetător doctoral specializat în fabricație aditivă la Dartmouth College.