8 Desafios que a fabricação de aditivos precisa resolver para se tornar viável para a produção

A manufatura aditiva já percorreu um longo caminho desde os dias da prototipagem rápida. Desde o seu surgimento na década de 1980, as tecnologias de impressão 3D encontraram aplicações inovadoras e estão ajudando a reduzir custos de produção e prazos, melhorar o desempenho do produto e viabilizar a customização em massa em escala. No entanto, a AM enfrenta desafios importantes quando se trata de produção em grande escala. Neste artigo, descrevemos os 8 desafios que o setor enfrenta e as etapas que estão sendo tomadas para enfrentá-los.

1. Identificar um caso de negócios

Criar um caso de negócios para a manufatura aditiva é um desafio que muitas empresas enfrentam, principalmente com os altos custos envolvidos no início. Os benefícios financeiros de longo prazo da manufatura aditiva são claros e incluem:

• Custos de ferramentas mais baixos
• Capacidade de produzir geometrias complexas de maneira econômica
• Personalização econômica

No entanto, permanece o fato de que o investimento inicial em tecnologia - de hardware a materiais e potencialmente equipamentos de pós-processamento - será necessário.

Para quem procura impressão 3D em metal, por exemplo, as máquinas de metal AM podem facilmente custar mais de US $ 100.000, sem incluir os custos de materiais e equipamentos de pós-processamento.

Fazer a transição para a integração de AM em fluxos de trabalho de manufatura existentes pode, portanto, parecer difícil de justificar. O retorno do investimento da AM deve ser igual ou superior a outros métodos de produção disponíveis, como explica Tim Weber, chefe global da HP Metal Jet:

“Os fabricantes de impressoras 3D precisam ter uma economia superior que nos permita competir , não com outras empresas de manufatura aditiva, mas com métodos tradicionais como fundição de investimento, moldagem por injeção de metal e CNC. ”

No entanto, há uma série de medidas que podem e já estão sendo tomadas para resolver isso.

Uma pequena barreira à entrada é contratar os serviços de bureaus de serviços de impressão 3D e alavancar sua experiência para identificar as aplicações de impressão 3D mais pertinentes para o seu negócio.

Além de identificar as áreas onde a impressão 3D será uma vantagem, os fabricantes também devem avaliar os custos para entender se a impressão 3D ou os métodos tradicionais (moldagem por injeção, usinagem CNC etc.) seriam mais adequados para uma aplicação específica . Por outro lado, à medida que a indústria amadurece, espera-se uma redução nos custos de máquinas, materiais e operação. Esses desenvolvimentos irão, com o tempo, facilitar a transição da AM para a produção em série.

2. Volumes de produção

Para suportar os altos volumes (e prazos curtos) necessários para a produção em série, os fluxos de trabalho de manufatura aditiva devem ser rápidos e escalonáveis. Atualmente, a maioria dos sistemas AM não tem a velocidade necessária para a produção em massa, principalmente quando comparada aos métodos convencionais de fabricação.

Enquanto os fabricantes de hardware AM estão desenvolvendo sistemas mais rápidos para resolver isso, o tempo de impressão por peça é apenas uma peça do quebra-cabeça. Todas as etapas de pré e pós-processamento também determinam o rendimento potencial e também devem ser levadas em consideração.

O pós-processamento, por exemplo, é um gargalo chave. Quase todas as peças impressas em 3D exigirão algum tipo de pós-processamento, que responde por 30-60% do processo de produção geral. Será necessário encontrar maneiras de automatizar o estágio de pós-processamento - e empresas como a PostProcess Technologies já estão propondo soluções de pós-processamento.

Melhorar os tempos de construção do AM, automatizar cada estágio do fluxo de trabalho do AM e minimizar as etapas de pós-processamento são, portanto, etapas cruciais para dimensionar o AM para operações de maior volume.

3. Repetibilidade

A necessidade de repetibilidade quando se trata de produção em série não pode ser subestimada. No entanto, a produção consistente de peças confiáveis ​​é um desafio constante que a AM enfrenta. Usar as mesmas configurações, por exemplo, ainda pode levar a diferenças na produção da mesma peça.

A lista de fatores que podem afetar a qualidade de uma peça final é extensa e inclui:orientação da peça dentro da plataforma de construção, calibração da máquina, qualidade do material e como as peças são removidas de uma construção.

Todas as variáveis ​​de processo envolvidas no processo devem ser estritamente definidas e controladas para permitir uma impressão bem-sucedida todas as vezes, o que não é pouca coisa. A boa notícia é que a indústria está tomando medidas para permitir a manufatura aditiva preditiva e reproduzível. Por exemplo, os fabricantes de sistemas AM estão desenvolvendo novas máquinas equipadas com monitoramento em processo e sistemas de controle de feedback de malha fechada para permitir maior controle sobre o processo de fabricação.

4. Disponibilidade de material

O desenvolvimento de materiais já percorreu um longo caminho desde os antigos filamentos proprietários. Atualmente, as tecnologias de impressão 3D podem ser usadas com uma ampla gama de materiais, incluindo metais, cerâmicas, polímeros e compostos. Ainda assim, a disponibilidade de materiais adequados continua sendo uma das maiores barreiras ao uso da manufatura aditiva como método de produção. A diversidade de materiais é limitada, com apenas um conjunto relativamente pequeno de materiais compatíveis disponíveis.

Uma das razões para isto reside na natureza proprietária de muitos materiais imprimíveis em 3D. Embora fazer materiais proprietários possa ajudar uma empresa a estabelecer seu monopólio, isso força os clientes a comprar seus materiais diretamente de seus fabricantes de impressoras 3D.

Certificar materiais AM é o segundo obstáculo. A certificação é necessária para garantir que os materiais AM atendam aos mesmos padrões dos métodos tradicionais e pode ser um processo caro e demorado.

Dito isso, o mercado de materiais AM está evoluindo rapidamente, com a grande maioria dos fabricantes agora abertos ao desenvolvimento de novos materiais por terceiros. Algumas empresas, como Ultimaker e HP, estão adotando ativamente uma abordagem de plataforma aberta, permitindo a colaboração com alguns dos maiores fornecedores de materiais. Esses desenvolvimentos, por sua vez, permitirão inovação de materiais mais rápida.

Em uma entrevista recente à AMFG, o presidente da Ultimaker, John Kawola, disse:“No passado, a maioria das tecnologias de impressão 3D eram limitadas a apenas um punhado de materiais, principalmente para prototipagem. As maiores empresas naquele espaço, como 3D Systems, EOS e Stratasys, não tinham centenas de cientistas de materiais na equipe - eles tinham alguns e desenvolveram materiais para suas plataformas individuais.

“Mas uma vez que você fornece um incentivo para que as grandes empresas de plásticos se envolvam, elas trazem toda a sua sabedoria coletiva para o mercado, o que eu acho que ajuda a todos.”

5. Segurança

A segurança está se tornando cada vez mais uma preocupação fundamental para empresas que buscam adotar a manufatura aditiva.

Como outras tecnologias digitais da Indústria 4.0, a impressão 3D é vulnerável a riscos de segurança e ataques cibernéticos. O potencial de dados roubados ou adulterados, por exemplo, pode comprometer a propriedade intelectual de uma empresa. A segurança se tornará particularmente importante à medida que novos modelos de negócios, abrangendo estoques virtuais e produção descentralizada sob demanda, continuem a ganhar força. Chegar a esse estágio exigirá, no entanto, o desenvolvimento de soluções personalizadas para garantir a segurança e a proteção de IP em todo o ecossistema de AM.

A partir de agora, essas soluções estão nos estágios iniciais de adoção. Empresas, como AMFG e LEO Lane, estão firmando parcerias estratégicas. Outros estão registrando patentes e lançando iniciativas para adaptar tecnologias de segurança como blockchain para manufatura aditiva.

Lidar com as preocupações de proteger a linha digital não só aumentará o nível de confiança na impressão 3D como uma tecnologia de produção, mas também permitem maior rastreabilidade em toda a cadeia de abastecimento.

6. Padronização

A falta de um conjunto abrangente de padrões para a manufatura aditiva continua sendo uma das principais barreiras para que a tecnologia se torne dominante.

Em indústrias altamente regulamentadas, como aeroespacial e de defesa, médica e automotiva, as peças impressas em 3D destinadas ao uso final devem atender a requisitos rígidos. A certificação e a padronização serão a chave para construir essa confiança e estabelecer abordagens de certificação robustas. Atualmente, muitas das diretrizes de fabricação existentes aplicam-se apenas aos métodos de fabricação tradicionais e novos padrões precisarão ser desenvolvidos ou adaptados para AM.

No entanto, a jornada em direção à padronização de AM é longa. Felizmente, algumas das maiores Organizações de Desenvolvimento de Padrões, como ISO e ASTM International, já começaram o processo de desenvolvimento de padrões para toda a indústria.

Graças aos seus esforços, já existem mais de 25 padrões aprovados com 19 padrões adicionais em desenvolvimento (no final de 2018). A ASTM International também investe pesadamente em projetos de pesquisa com foco em AM, procurando preencher as lacunas entre P&D, padronização e a comercialização mais ampla da indústria.

7. Treinamento

Talvez a barreira mais significativa para a adoção do AM seja a atual lacuna de habilidades. Um relatório de 2016 da Deloitte conclui que nove entre dez fabricantes estão lutando para contratar trabalhadores com as habilidades certas. A escassez de habilidades, então, é enfrentada pela manufatura como um todo.

Tecnologias avançadas como manufatura aditiva exigem um novo conjunto de habilidades. Tome o design para manufatura aditiva (DfAM) como exemplo:ferramentas como design generativo e otimização da topologia exigirão que os engenheiros repensem as abordagens convencionais de design. Outras áreas incluem manutenção de máquinas, manuseio de materiais e conhecimento de pós-processamento.

Educação e treinamento serão a solução para fazer a transição. As empresas devem investir ativamente na educação de sua força de trabalho, dando aos funcionários a oportunidade de aprender e impulsionar a inovação por meio dessas tecnologias avançadas.

8. Fluxos de trabalho ponta a ponta

A impressão 3D é uma das tecnologias importantes no estabelecimento de “fábricas inteligentes”.

No entanto, a realidade é que a maioria das empresas se esforça para estabelecer um processo de gerenciamento de fluxo de trabalho AM de ponta a ponta. Um gargalo está no uso de diferentes pacotes de software para ir do design à peça acabada. Isso cria um processo desconectado, reduzindo muito a eficiência. Felizmente, existe um número crescente de soluções para resolver este gargalo. Por exemplo, o software de automação de fluxo de trabalho surgiu para resolver os problemas de processos de fluxo de trabalho desconectados. Usar uma plataforma para gerenciar todo o ecossistema de AM, desde as solicitações ao controle de pós-produção, permite tanto a automação de tarefas manuais e rotineiras quanto uma maior rastreabilidade em todas as fases do processo de AM.

Olhando para o futuro

A manufatura aditiva teve um rápido desenvolvimento nos últimos anos e 2019 não parece ser uma exceção. No entanto, enquanto o progresso está sendo feito para industrializar AM, ainda há um caminho a percorrer antes que a tecnologia possa ser usada de forma viável como um método de fabricação para peças finais em escala. Os custos precisarão diminuir, maior foco no treinamento e as empresas precisarão encontrar o valor da tecnologia para suas aplicações. À medida que a tecnologia e a indústria amadurecem e esses desafios são enfrentados, a taxa de adoção de AM só aumentará.