Is dit het juiste moment om een 3D-metaalprinter aan te schaffen? En zo ja, welke printer? Of… misschien is er geen juist moment? Helaas bestaat er nog geen ultieme beslissingsboom voor Additive Manufacturing (AM). We hadden u bij wijze van antwoord nochtans graag een eenvoudig blokschema voorgeschoteld. In de plaats daarvan onderzoeken we een aantal parameters die kunnen helpen om knopen door te hakken.

Eerste vaststelling: de beslissing tot aanschaf van dit investeringsgoed is best het resultaat van een grondig besluitvormingsproces. De prijzen van metaalprinters mogen dan wel gestaag afnemen, het totale investeringsplaatje noopt toch tot de uitwerking van een volledige businesscase waaruit blijkt dat de aanschaf van een 3D-printer inderdaad de meest pertinente keuze is.

Andere opties zijn immers ook mogelijk: het printwerk kan worden uitbesteed aan gespecialiseerde bedrijven (Vlaanderen heeft een ruim bovengemiddeld aanbod), en voor andere toepassingen blijkt een traditionele maakmethode misschien toch de meest rendabele keuze.

Probleemstelling

Een business case begint wel vaker met een probleemstelling en dat is hier niet anders. Laat het ons als een opportuniteit uitdrukken: wat kan Additive Manufacturing voor mijn bedrijf betekenen?

Het beantwoorden van die vraag vergt op zich al behoorlijk wat expertise – het gaat immers om machines die een totaal andere logica hanteren voor de opbouw van onderdelen, en bovendien moet een designer of ontwerpingenieur het AM-proces al voldoende kennen om te kunnen inschatten in welke toepassing de technologie zinvol kan worden ingezet. Meer nog, sommigen stellen dat precies daar de belangrijkste toegevoegde waarde van AM ligt: “The real power of additive manufacturing comes out when a designer knows how to take advantage of the process.” (Alban Leandri).

Voor het antwoord op de vraag moet er gekeken worden naar de parameters waar AM een competitief voordeel heeft, of kan hebben, in vergelijking met andere technologieën (bron: Sirris):

1. Additive manufacturing gebruikt materiaal bijna enkel waar de toepassing dat vereist. Dat resulteert in materiaalefficiëntie en lichtgewicht structuren. Natuurlijk is bv. de luchtvaart erg geïnteresseerd – net zoals in alle toepassingen waar gewicht een rol speelt. Het kan dus ook gaan om structuren waarbij het gewicht een significante impact heeft op bijvoorbeeld de wrijvingsweerstand.
2. Als gevolg van de quasi-totale vormvrijheid kan men de vorm concipiëren volgens de functie. Vaak komt dat van pas bij de optimalisatie van stromingen. Typische voorbeelden zijn hier warmtewisselaars of mengkamers.
3. Functie-integratie: bewegende of vaste delen kunnen mee geprint worden in het stuk in kwestie; men kan extra functies voorzien in het product, en/of besparen op assemblage.
4. Mass customization: de mogelijkheid om elk stuk nét iets anders te produceren zonder aangepaste tooling of productiemethodes. Een aanpassingen aan het product vergt slechts een aanpassing van het CAD-bestand.
5. Snelheid: Over de productiesnelheid van Additive manufacturing kan gediscussieerd worden, maar het is wel zo dat men een aanzienlijk snellere productontwikkeling kan realiseren. Die snelheid kan een belangrijk competitief voordeel opleveren.

Omwille van de complexiteit is het aangeraden zich al in deze fase te laten assisteren door experten. Verschillende bedrijven en onderzoeksinstellingen bieden “bedrijfsscans” aan die op zoek gaan naar onderdelen of producten die beter, eenvoudiger, sneller en/of goedkoper kunnen worden geproduceerd aan de hand van AM. Tegelijk kan men verschillende printerproducenten uitnodigen voor toelichting.

Men zou zich de vraag kunnen stellen waarom men in Additive Manufacturing moet investeren als zelfs het antwoord zoeken op die vraag al een serieuze (tijds-)investering vraagt. Het antwoord is wellicht: de concurrent doet het ook. Momenteel zetten bijvoorbeeld quasi alle automerken sterk in op Additive Manufacturing – het zijn niet enkel meer de “early adopters” die er zich aan wagen. Om te kunnen blijven concurreren, zijn heel wat waardeketens dus genoodzaakt zich af te vragen of en hoe ze (ook) deze technologie kunnen inzetten om hun competitief voordeel te handhaven.

De hardware

De keuze van de hardware (de machine zelf) is op zich al een studie waard. Online is er bijzonder veel informatie te vinden, al laat die zich niet altijd eenvoudig analyseren. Dat heeft enerzijds te maken met het feit dat de noemer “3D-printen in metaal” eigenlijk te breed is: we spreken bij metaalprinters immers over een zevental verschillende technologieën, elk met hun eigen voor -en nadelen. Anderzijds worden de verschillende technologieën al naargelang de auteur in één, dan wel in verschillende vakjes ondergebracht. De gehanteerd terminologie is vaak verschillend per leverancier. Een algemeen overzicht en meer info hieromtrent vind je in ons artikel rond de verschillende metaalprint technologieën.

Een printer kiezen?

De noemer “Additive Manufacturing in metaal” dekt dus heel wat ladingen. Het is belangrijk een onderscheid te maken tussen de verschillende technologieën en de voor- en nadelen die ermee gepaard gaan.

Typische criteria die de beslissing mee beïnvloeden, zijn:

• Bouwsnelheid (uitgedrukt in cm³/uur of m/s): ook hierbij is het nodig dit terdege te onderzoeken: bouwsnelheden zijn bv. niet altijd vergelijkbaar omdat er met verschillende laagdiktes wordt gerekend.
• Resolutie: met een onderscheid tussen verticale (laagdikte) en x/y-resolutie.
• Bereikte eind-densiteit (zonder nabehandeling)
• Bouwvolume: hoe groot zijn de stukken die men wil produceren? En wat is de verwachting voor wat betreft het “opvullen” van de bouwplaat? Afhankelijk van de gebruikte technologie, wordt de kostprijs per stuk significant lager bij een goedgevulde bouwplaat – er bestaat niet voor niets zogenaamde “nesting software”, die de stukken in een bouwvolume zo rationeel mogelijk plaatst.
• Toepassing: de toepassing zal uiteraard mee bepalen welke densiteit men beoogt, met welke materialen men wil printen, wat een geschikte resolutie is, enzovoort. Hou er rekening mee dat sommige systemen heel flexibel zijn voor wat betreft het omschakelen van de ene metaalsoort naar de andere, terwijl dit voor andere systemen tot een paar dagen werk kan betekenen (als de volledige printinstallatie door een cleaning cycle moet)

Voor bepaalde van deze parameters geldt dat ze onderling afhankelijk zijn.

Nabehandeling

Een andere nuttige indeling van de technologieën is om een opsplitsing te maken volgens de benodigde nabehandeling. Dat heeft uiteraard ook een impact op het totale kostenplaatje. Zo wordt bij een aantal technologieën – die waarbij enkel “zuiver metaal” wordt ingebracht in het proces – een densiteit van meer dan 99% bereikt. Bij een andere technologieën (Jetting, Fused Deposition Modeling) wordt het metaal geprint door middel van een drager. Dat houdt in dat het geprinte stuk nog moet worden verhit om die binder/drager uit te branden en het metaal te sinteren.

Ook bij “dichte” stukken is soms nog een na-verdichting nodig (bv. Hot Isostatic Pressing), afhankelijk van de toepassing, maar in dat geval is diezelfde nabehandeling ook mogelijks van toepassing op dezelfde traditioneel geproduceerde stukken.

Post-treatment kan ook gaan over alle behandelingen die nodig zijn om de oppervlakteruwheid/ resolutie van het product (op plaatsen waar dat nodig is) te verbeteren: schuren, nafrezen, zandstralen.

Verder zijn er mogelijks andere oppervlaktebehandelingen en reiniging nodig. Afhankelijk van de gewenste of noodzakelijke afwerking, kan deze nabehandeling tweemaal meer tijd vragen dan het eigenlijke printen.

Software – Design – Product

Een aspect dat soms onderbelicht wordt, is het cruciale belang van de software. Natuurlijk is er de software voor aansturing van de machine: hoe gebruiksvriendelijk is die? Welke parameters en instellingen zijn voor de gebruiker toegankelijk (en is dat ook nodig)? Maar er is ook designsoftware nodig en gezien de complexiteit van de materie is het belangrijk dat design-en machinesoftware “elkaar begrijpen”. Een concreet voorbeeld (voor bijvoorbeeld de powder-bed technologieën) is de positionering en het ontwerp van structuren die moeten zorgen voor het afleiden van de in het proces gegenereerde warmte in het stuk. Software, design en (kwaliteit van) het eindproduct hebben een onmiskenbare impact op elkaar.

Niet onbelangrijk is dat de hanteerbaarheid van de printers aanzienlijk verbetert en software en hardware alsmaar meer op elkaar afgestemd geraken. Dat zorgt ervoor dat het leerproces eenvoudiger wordt.

Grondstof – proces – product

Het zal niet verbazen dat bij Additive Manufacturing een gelijkaardige interdependentie bestaat tussen grondstof, proces en product. De grondstof en het proces bepalen het eindproduct, maar de grondstof bepaalt ook mee het proces. De soft- en hardware moeten deze intrinsieke complexiteit erkennen en aankunnen.

Veiligheid

Afhankelijk van de gekozen technologie kunnen ook min of meer aanzienlijke investeringen nodig zijn in veiligheidsuitrusting – denk bijvoorbeeld aan processen waarbij gewerkt wordt met argon of stikstof. Verschillende printerproducenten bieden een totaalpakket aan in samenwerking met leveranciers van gas -en veiligheidsuitrusting.

Marktpotentieel

Een ander belangrijk aspect In het uitwerken van onze business case voor de aanschaf van een printer, is uiteraard het potentieel van de markt. Wat dat betreft zijn er in dit marktsegment enkele interessante waarnemingen te doen.

De prijzen van printers en grondstoffen dalen nog steeds, en algemeen wordt aangenomen dat die trend zich nog een tijd zal doorzetten. De groei van 3D-printing heeft namelijk ook de aandacht getrokken van grote, traditionele industriële spelers. Denk maar aan de monumentale instap van GE (met de quasi gelijktijdige overname van 2 bekende metaalprintproducenten). Ook de grote chemieconcerns en metaalpoederproducenten zetten nu actief in op de ontwikkeling en productie van grondstoffen voor Additive Manufacturing. Het is duidelijk dat 3D-printen is opgeschoven van een markt met voornamelijk niche-spelers naar een markt waarin ook de traditionele industriële grootmachten de dienst uitmaken.

Die afname in kostprijs betekent ook een exponentiële toename in het bereik van toepassingen waarvoor Additive Manufacturing de meest aangewezen productiemethode is. Een gelijkaardige bemerking kan eveneens opgetekend worden voor de kost versus aantallen: het bereik van AM-toepassingen – “in den beginne” exclusief voor prototyping inzetbaar – wordt nu verbreed tot series van 100 tot 1.000 stuks.

Wachten op de volgende printer?

Er komen regelmatig nieuwe printers op de markt, en printers en grondstoffen dalen in prijs – redenen genoeg om de aanschaf van een printer uit te stellen?

Dat is een optie, maar als je uitgaat van een aangetoonde rentabiliteit van de investering, is de vraag of het uitstel opweegt tegen het zogenaamde “first-mover advantage” – de voorsprong die men opbouwt, zowel qua marketing als in technologische expertise.

Dat hangt onder meer ook samen met de inschatting van de groei van de markt voor metaal -3D-printing (die zelf ook weer onder meer een functie is van prijs en kwaliteit van de geprinte eindproducten). Momenteel zijn er naar schatting een 30 à 35 metaalprinters op de Belgische markt. Alle verwachtingen van de marktevolutie (Wohlers, Gartner, KPMG, enz…) voorzien een exponentiële groei voor het (metaal-)printen.

De vraag is dan niet zozeer óf, maar eerder wanneer er ruimte is voor de volgende 35 of 350 printers in onze regio.

Het is interessant deze verwachtingen af te zetten tegen de cijfers van de reële verkoop van metaalprinters in de periode 2000 – 2016, wereldwijd: in totaal gaat het om iets meer dan 3.000 installaties, waarvan er 25% werden verkocht in 2015 en (dus) ca. 1% in België.

In de veronderstelling dat deze trend zich (inderdaad) exponentieel doorzet, kunnen we ons verwachten aan belangrijke verschuivingen in heel wat waardeketens. De relatieve “oververtegenwoordiging” van het aantal printers op Belgische bodem, noopt evenwel tot voorzichtigheid: het zou kunnen dat de trend in onze regio tijdelijk stagneert om later weer aan te haken bij de globale evolutie.

First & second mover advantages?

Uiteraard zijn de echte pioniers al een paar decennia bezig, maar toch is de inschatting dat wie nu instapt vaak nog steeds van het “first-mover advantage” kan genieten in zijn of haar sector.

Nu instappen heeft ook als voordeel dat men wellicht al aanspraak kan maken op het zogenaamde “Second-Mover Advantage”: de voordelen die voortspruiten uit het feit dat veel pionierswerk reeds achter de rug is. Er is namelijk een duidelijk afgenomen investeringsrisico:

• de spreekwoordelijke kinderziektes zijn eruit;
• heel wat bijkomende parameters zijn gemeengoed – parameters van machine en grondstoffen, maar ook de parameters om te bepalen welke stukken je wel of niet kan printen, wat de eigenschappen van het eindproduct zullen zijn, enzovoort.
• Dat betekent meteen ook dat de learning curve een stuk steiler verloopt dan pakweg een decennium geleden. Uiteraard is het leren kennen van de machine – en van het werken met 3D-design – nog steeds een investering in Human Resources, maar de tijd dat het tot meer dan een half jaar kon duren om het proces onder de knie te krijgen, ligt toch al even achter ons.
• In het besef dat een metaalprinter vooralsnog geen plug-and-play toestel is, bieden de meeste printerproducenten een totaalpakket aan dat – naast de nodige randapparatuur – ook begeleiding omvat, wat ook die learning curve drastisch kan inkorten.

En nog een punt in elk business plan: de verwachte opbrengst

Er zijn wat betreft de potentiële verkoop van metaal-geprinte stukken, zeker in de huidige marktomstandigheden, twee mogelijkheden:

• Men heeft een duidelijk (nieuw) marktpotentieel geïdentificeerd – men heeft de zogenaamde “killer app” gevonden. Iedereen is op zoek “die ene toepassing” die de machines permanent laat draaien. Maar we moeten onder ogen zien dat die kans relatief beperkt is.
• Veel vaker is het nodig het bouwvolume op te vullen door actief – in de markt, of in het bestaande productaanbod – op zoek te gaan naar relevante applicaties. Ook hier is dus een investering nodig.

Conclusies

Uiteindelijk zijn er na de uitwerking van eender welke business case drie mogelijkheden:

• Ja! Tijd om die printer aan te schaffen. Laat u zeker goed begeleiden en… succes!
• Nog niet: om verschillende redenen kan er geopteerd worden om nog te wachten met de aanschaf van een printer.
• Neen: is onvoldoende aanwijzing dat de aanschaf van een metaalprinter (op dit moment) een realistische Return-on-Investment brengt.

In de laatste twee gevallen is het interessant nog volgende overwegingen te maken:

• Leer de technologie beter kennen door al met een plastic-printer (filament of andere) te werken; het geeft zeker inzicht in ontwerp voor AM en leert de gebruikers ontwerpen te “her-denken”. Het kan ook in de organisatie al dienstdoen voor het maken prototypes, product specifieke gereedschappen en – waarom niet – voor het maken van marketingmateriaal: er zijn bijvoorbeeld bedrijven die een 3D-geprinte maquette van een grote installatie meeleveren met de offerte (natuurlijk kan ook hier gekozen worden voor het outsourcen van het printwerk).
• Houd een oog op mogelijke toepassingen voor het printen van metalen onderdelen. Als er zich een opportuniteit voordoet, is er toch al die voorsprong door het gedane vooronderzoek. Kijk vooral naar toepassingen die het best beantwoorden aan de “drivers” zoals hierboven vermeld.

Meer weten? Lees ons dossier over metaalprinten of kom naar een van onze gratis infoavonden rond 3D-printen in metaal!

Verschillende sprekers lichten er verschillende mogelijkheden toe, zowel met betrekking tot de aankoop van printers, het outsourcen van printwerk als over het aanleveren van expertise voor de uitwerking van een business case.