Hightech systemen & materialen. 3D-Printen

Hightech systemen & materialen

3D-Printen

Dit is een uitgave van het projectteam van Innovatie Zuid. Dit project wordt mede mogelijk gemaakt met financiële steun uit het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling in het kader van OP-Zuid.

www.innovatiezuid.nl

Colofon

Innovatie Zuid September 2013 Thema Hightech systemen en materialen: 3D-Printen Samengesteld door Berenschot Erik Teunissen, Onno Ponfoort, Linda van den Hurk en Wouter de Wolf Inspiratie en inhoudelijke bijdragen Jeroen Langendam, ML Business Development Michel Weeda en Pieter Meuwissen, Brabantse Ontwikkelings Maatschappij John Blankendaal, Brainport Industries Pieter Hovens, Syntens Mark Vaes en Frits Feenstra, TNO Eindredactie Hans van Eerden, Van Eerden Tekst In opdracht van Brabantse Ontwikkelings Maatschappij NV Industriebank LIOF NV Economische Impuls Zeeland Syntens Contactpersonen Brabantse Ontwikkelings Maatschappij, Michel Weeda, [email protected] Syntens, Pieter Hovens, [email protected] Concept en grafisch ontwerp Something New Djordi Luymes en Marc Buijs www.something-new.nl Oplage 200 exemplaren Rechten De uitgever kan op generlei wijze aansprakelijk worden gesteld voor enige eventueel geleden schade door foutieve vermelding in deze roadmap. © Copyright 2013, BOM. Niets aan deze uitgave mag worden overgenomen in welke vorm dan ook zonder nadrukkelijke toestemming van de uitgever. Dit project wordt mede mogelijk gemaakt met financiële steun uit het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling in het kader van OP-Zuid.

Innovatie Zuid - Roadmap 3D-Printen

Inhoudsopgave

Voorwoord

6

Samenvatting

8

1

Inleiding

10

1.1

Waarom een roadmap?

11

1.2

Doelstelling en resultaat

1.3

Werkwijze

1.4

Leeswijzer

13

2

3D-printen

14

2.1

Laag voor laag

15

2.2

Nieuwe kansen voor de industrie

15

2.3

Scope en definities

17

2.4

Voordelen

2.5

Nadelen

20

3

Marktontwikkelingen

22

3.1

Marktontwikkelingen komende vijf jaar

3.2

Markten en applicaties

24

3.3

Markten en eisen

31

3.4

Potentiële projecten

31

4

Technologieontwikkelingen

34

4.1

Technologische samenhang

35

4.2

Processen: overzicht

4.3

Processen: barrières en oplossingsrichtingen

4.4

Materialen

4.5

Materialen: barrières en oplossingsrichtingen

4.6

Design: toepassingsgebied

4.7

Design: barrières en oplossingsrichtingen

4.8

Barrières slechten om adoptie 3D-printen te versnellen

4.9

Potentiële projecten

5

Ecosysteem

5.1

Ecosystemen in de wereld

5.2

(Zuid-)Nederland

6

Printen op substraten

52

6.1

Inleiding

53

6.2

Marktontwikkelingen, applicaties en eisen

53

6.3

Technologieontwikkelingsrichtingen

54

6.4

Applicaties

11

12

18

23

35

38

40

41

42

43

44 46 48

49

50

55


Inhoudsopgave (vervolg) 7

Roadmap voor (Zuid-)Nederland

56

7.1

Overzicht

57

7.2

Educatie

7.3

Technologische ontwikkeling

7.4

Verdienmodellen

59

7.5

Vraagontwikkeling

59

7.6

Samenwerking in de keten

7.7

Keuzes voor sectoren

60

Bijlage 1: Betrokkenen

62

Bijlage 2: Begrippen en afkortingen

64

Bijlage 3: Literatuur en bronnen

66

Bijlage 4: Materialen per proces

68

Bijlage 5: Uitwerking van projecten

72

Bijlage 6: Bestaande platformen

76


57

58

59


Voorwoord

6


To Print or not to Print? De opkomst van het 3D-printen zet zich in 2013 sterk door. Wereldwijd is er veel aandacht voor en berichten over nieuwe toepassingen halen dagelijks de media. Er ontstaan verrassende nieuwe applicaties in zowel het B2C- als het B2B-domein. Spelers en applicatiegebieden variëren van onderwijs- en kennisinstellingen, de medische wereld en de kunst & cultuursector tot kleine en grote bedrijven in de high-tech industrie en de automotive sector. Het lijkt wel of iedereen met het 3D-printvirus besmet raakt. De digitalisering van maatschappij en technologie maakt een uitgebreid en complex speelveld van ‘industrieel printen’ mogelijk. Voor de meeste nieuwe toepassingen zijn zowel fundamenteel onderzoek als productontwikkeling onontbeerlijk, zeker als het gaat om printen van functionele materialen zoals metalen, keramiek of biologische materialen. Nieuwe applicaties vergen veel experimenten, creativiteit, materiaal-, proces- en equipmentkennis en doorzettingsvermogen om tot business te komen. De laatste update van de nationale Roadmap Printing is vanuit de topsector High Tech Systemen en Materialen uitgewerkt eind 2012, met hulp van zestig bedrijven en kennisinstellingen. Dat document gaat in op de onderzoeksuitdagingen die er liggen om onze kennispositie met betrekking tot industrieel printen op wereldniveau te houden. Op een aantal terreinen liggen we voor, maar op andere terreinen dienen we een inhaalslag te maken of slim (internationaal) te gaan samenwerken. Deze roadmap zoomt specifieker in op 3D-printen, c.q. Additive Manufacturing Technology, geeft een prima overzicht van de kansen die er in (Zuid-)Nederland liggen en biedt enkele handvatten om gezamenlijk op te pakken. Zoals altijd kan niemand het alleen en dient ook hier de hele keten – bedrijven groot en klein, de kenniswereld en de overheid (als het gaat om faciliteren, aanjagen en co-investeren) – samen te werken. Het antwoord op de vraag hierboven (met een knipoog naar Shakespeare) is duidelijk: we gaan stevig door met printen, oftewel het antwoord luidt “To Print!!” Omdat ooit alles geprint kan worden... Marcel Slot Trekker Roadmap Printing, Topsector High Tech Systemen en Materialen Director Technology Planning & Partnerships, Océ-Technologies


7

Samenvatting

8


Achtergrond 3D-printen begint ons dagelijks leven steeds sterker te beïnvloeden en biedt grote economische en maatschappelijke kansen. Het kunnen printen van 3D-voorwerpen geeft iedere consument de mogelijkheid om gepersonaliseerde ontwerpen met één druk op de knop daadwerkelijk te realiseren. De professionele markt, met name vanuit de maakindustrie, zal steeds vaker bij de vervaardiging van complexe producten het 3D-printen omarmen. Tot op heden vielen vooral de prototypes in de smaak, maar het zal steeds aantrekkelijker worden om functionele onderdelen en ook grotere aantallen producten te printen. 3D-printen resulteert in totaal andere businessmodellen, waarbij de logistieke keten volledig op z’n kop gaat. Stromen gereed product naar winkels worden deels vervangen door materialen die op locatie in de winkel of thuis worden geprint, en ontwerpen worden gekocht in de 3D-store op internet. Marktanalyse Momenteel is de marktomvang voor 3D-printen rond de twee miljard euro. De prognose is dat de wereldmarkt in 2025 zeker 200 miljard euro zal bestrijken (McKinsey). Als de verwachtingen van de consumentenmarkt echt doorzetten (inclusief 3D-printers voor thuisgebruik), zal de markt in 2025 nog eens factoren groter zijn. Deze hoge groeiverwachting geeft de enorme potentie van 3D-printen aan, wel met onzekerheden over de wijze waarop deze technologie in de markt wordt opgepakt. Een vergelijking met de halfgeleidermarkt, die grofweg rond de 250 miljard euro op jaarbasis omvat, leert dat we nog een mooie weg te gaan hebben. Technologieanalyse Voor het printen van 3D-ontwerpen zijn geschikte printbare materialen, printprocessen en ontwikkeltools noodzakelijk die integraal op elkaar zijn afgestemd. Opleiden van professionele ontwerpers in dit ‘nieuwe’ vakgebied is een belangrijk aandachtspunt. Nieuwe printprocessen, die met name sneller en nauwkeuriger zijn, en toepasbare (gekleurde) materialen zoals printbare metalen, keramieken en nieuwe kunststoffen, vragen om nieuwe ontwikkeltools. Die tools moeten tevens geschikt zijn om simulaties mee uit te voeren. Ecosystemen De Nederlandse HTSM-sector moet in staat zijn om deze technologieontwikkelingen op te pakken. We moeten ons echter realiseren dat we vanuit een internationale achterstandspositie opereren. Aanpalende ecosystemen, zoals die van België (kenniscentra, softwaretools) en Duitsland (machinebouw), zijn verder op weg dan wij. We moeten dan ook vaart zetten achter het organiseren van de nationale keten en de samenwerking met de internationale toppers intensiveren. Daarnaast moeten we starten met het opleiden van ontwerpers en het uitbouwen en benutten van de kenniscentra (TNO, de drie TU’s, Fontys, Avans, DPI, Holst Centre, Design Academy) richting nieuwe applicaties. Voorts bieden onze competenties op het gebied van materiaalontwikkeling, high-tech systemen en productontwikkeling (creatieve industrie) een vruchtbare voedingsbodem voor nieuwe successen. Kortom, we moeten aan de slag!


9

1

10

Inleiding


1.1 Waarom een roadmap? Industrial Printing, en met name Additive Manufacturing Technology (AMT), of in de volksmond 3D-printen, krijgt wereldwijd steeds meer aandacht. Het National Additive Manufacturing Innovative Institute werd door de Amerikaanse president Barack Obama in zijn State of the Union genoemd als de manier om terug te komen in de ‘manufacturing game’. The Economist spreekt van de ‘The third industrial revolution’. Industrial Printing is een markt die sterk groeit en steeds meer toepassingen krijgt. Het ecosysteem in (Zuid-)Nederland (inclusief aanpalende regio’s in België en Duitsland) heeft veel competenties en daarmee een grote potentie om een deel van de opkomende Industrial Printing-markt naar zich toe te trekken. De sterktes in Nederland, in het bijzonder de Industrial Printing- en mechatronica-clusters binnen de topsector High Tech Systemen en Materialen (HTSM), bieden een prima basis voor verdere ontwikkeling. Naast de topsector HTSM bieden ook sectoren als de medische industrie, aerospace, automotive en de consumentenmarkt de nodige potentie om hieraan bij te dragen.

1.2 Doelstelling en resultaat Doelstelling De doelstelling van dit roadmapproject is om te komen tot de definitie van de route naar een succesvol ecosysteem in (Zuid-)Nederland waarbij de volledige supply chain betrokken is. Het project moet resulteren in enkele tastbare samenwerkingsverbanden. Bedrijven en kennisinstellingen kunnen hierin hun competenties ontwikkelen, hun kennis en kunde delen en nieuwe ‘industriële printtechnologieën’ benutten voor nieuwe (onderdelen van) producten. Daartoe is gedurende dit project: een inhoudelijke roadmap opgesteld; een lijst gedefinieerd met potentiële startprojecten; een samenwerkingsproject gedefinieerd met vijftien mkb-partners waarvoor financiering wordt aangevraagd uit de IPC-regeling (InnovatiePrestatieContract). Deze roadmap brengt in kaart: de marktontwikkelingen en mogelijke applicaties voor nieuwe businessgeneratie (producten, diensten en competenties); technologische ontwikkelingen die passen bij de applicatiebehoeften; concurrentie- en ecosysteemontwikkeling (diensten- en kennisontwikkeling); een synthese gericht op de kansen voor (Zuid-)Nederland op basis van onder meer een SWOT-analyse, economische ontwikkelingen en relevante verdienmodellen. De roadmap is opgesteld vanuit drie invalshoeken: Applicaties: Allereerst wordt er gekeken naar de huidige en potentiële applicaties, die de basis vormen voor het gehele roadmapproces. Deze basis geeft de huidige en toekomstige eisen weer op het gebied van 3D-printen gezien vanuit het toepassingsgebied. Technologie: Naast de applicaties is een belangrijke rol weggelegd voor de huidig en toekomstig beschikbare technologieën die in de applicatiebehoeften kunnen voorzien. Deze technologieën worden geanalyseerd en derhalve in kaart gebracht. Belangrijk onderdeel van de analyse zijn de ontwikkelingen in nieuwe processen en materialen.


11

Ecosysteem: Daarnaast wordt de concurrentiepositie van de (Zuid-)Nederlandse spelers binnen de internationale markt in kaart gebracht. Dit geeft een beeld van de kansen die gegenereerd kunnen worden voor het (Zuid-)Nederlandse ecosysteem. Resultaat De roadmap moet leiden tot daadwerkelijke activiteiten, zodat hiermee het ecosysteem verder wordt opgebouwd. Het belangrijkste resultaat is het definiëren en realiseren van vervolgprojecten, voor het benutten van de geconstateerde kansen en het bereiken van het gewenste vliegwieleffect voor een sterker (Zuid-)Nederlands ecosysteem (zie Figuur 1). Richten

Inrichten

Verrichten

Kansen

Kassa

Roadmap

Consortia

Projecten

Figuur 1 - Van kansen naar kassa: het roadmapproject leidt tot activiteiten.

1.3 Werkwijze Voor het samenstellen van de roadmap is maximaal gebruik gemaakt van beschikbaar bestaand onderzoek. Dit is aangevuld met kennis aanwezig bij het bedrijfsleven, de kennisinstituten en de overheden, veelal van internationale aard. Ten behoeve van de synthese en de vertaling van de omgevingsontwikkelingen naar kansen voor het (Zuid-)Nederlandse ecosysteem zijn enkele conferenties en werksessies opgezet. Deze werkwijze (Figuur 2) zorgde voor de realisatie van meerdere doelen: Er is zeker gesteld dat keuzes voor de roadmapthema’s relevant zijn. Er is draagvlak en energie gecreëerd voor het gezamenlijk oppakken van en inspelen op de kansen die in de roadmap staan beschreven. Er is gedurende het ontstaan van de roadmap consortiavorming gerealiseerd.

Interviewronde

Documentenanalyse

Workshop Applicaties & materialen

Workshop Design, processen & materialen

Figuur 2 - Schematische weergave van de werkwijze.

12


Selectie en verdere uitwerking Meest interessante projecten voor (Zuid-)Nederland

Validatie en definitieve roadmap

De roadmap is opgesteld voor de eerstkomende vijf tot tien jaar. Tijdens de werksessies zijn vanuit de bedrijven, kennisinstellingen en regionale overheid de markt-, technologie- en ecosysteemanalyses uitgevoerd. Gerichte interviews met de huidige trekkers in deze sector, zowel uit Nederland als met name ook België, hebben aanvullend materiaal opgeleverd. Daarnaast zijn de volgende werkgroepen ingezet: Het kernteam: Berenschot, BOM, Syntens, TNO, Brainport Industries. Het projectteam: ML Business Development en Berenschot. De redactie van de eindrapporten: kernteam en experts. Belangrijk aspect is de kruisbestuiving die tijdens het creëren van de roadmap heeft plaatsgevonden tussen de deelnemers van de werksessies maar ook daarbuiten. Bedrijven uit de technologiesector, zoals de ontwikkelaars van applicaties en materialen, kennisinstellingen als TNO, maar ook gevestigde partijen uit België, waaronder Materialise, waren betrokken bij de uitvoering van dit roadmapproces. De Nederlandse bedrijven houden zich met name bezig met het aanbieden van maakprocessen, applicatieontwikkeling en incidenteel machinebouw. Zij borgen de kennis-kunde-kassa-keten vanuit het huidige veld aan technologische oplossingen. Toch is het aantal Nederlandse bedrijven dat zich doelbewust met 3D-printen op professionele wijze bezighoudt nog gering. Het aantal bedrijven en de mate van bedrijvigheid in deze technologiesector moeten derhalve nog sterk gaan groeien. De kenniscentra leveren met name die kennis aan die op een termijn van vijf tot tien jaar in de markt moet renderen. Dit is belangrijk om de richting van de roadmap te bepalen uit technologisch oogpunt. Kenniscentra in aanpalende ecosystemen, zoals België, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk, hebben op enkele specifieke gebieden een kennisvoorsprong. Bovendien zijn zij met meer mankracht aan de slag om 3D-printen verder te ontwikkelen. Derhalve is ook hun kennis benut tijdens het roadmapproces.

1.4 Leeswijzer Na deze inleiding volgt in Hoofdstuk 2 een uitleg over de voor- en nadelen van 3D-printen. In de daaropvolgende hoofdstukken worden de onderliggende details beschreven, uitgewerkt en onderbouwd. Dit betreft achtereenvolgens in Hoofdstuk 3 de marktontwikkelingen en de potentiële applicaties, in Hoofdstuk 4 de technologische standaarden en bijbehorende technologische ontwikkelingen en in Hoofdstuk 5 de internationale positionering van het Nederlandse ecosysteem. Hoofdstuk 6 geeft een toelichting op de additionele aandachtsgebieden voor 2,5D-printen, het zogeheten printen op substraten. Uiteindelijk staan in Hoofdstuk 7 de belangrijkste conclusies en aanbevelingen van het onderzoek. Hierin zijn opgenomen de wereldwijde trends en de acties die daaruit voor Nederland voortvloeien, vervolgens de SWOT-analyse, de eigenlijke roadmap en de verdere uitwerking. Dat leidt tot thema’s die de Nederlandse ondernemers, overheden en onderzoeksinstellingen moeten oppakken.

“

De roadmap 3D-Printen is een allesomvattende samenvatting van kansen, uitdagingen en verwachtingen op het gebied van Additive Manufacturing voor de high-tech industrie van Nederland. Er ligt een schone taak om hieraan invulling te

“

gaan geven.

Michiel de Bruijcker Managing Director Formatec Ceramics


13

2

14

3D-printen


2.1 Laag voor laag 3D-printen is een techniek waarbij laag voor laag materiaal wordt aangebracht; Figuur 3 toont het principe. De verschillende lagen creëren volume en structuur, waardoor een 3-dimensionaal object ontstaat. Er zijn verschillende technieken die gebruik maken van deze laagsgewijze opbouw (zie Paragraaf 4.2), en daarbij met verschillende materialen werken. Een ontwerp kan digitaal worden gemaakt in een 3D CAD-programma en worden doorgestuurd naar een 3D-printer. Die converteert het ontwerp naar tekeningen van de lagen, die laag voor laag in vast materiaal worden omgezet en aan de onderliggende laag ‘bevestigd’. In een relatief korte tijd kan zo een ontwerp worden gematerialiseerd. Het grootste en bekendste toepassingsgebied van deze techniek is dan ook rapid prototyping. De techniek wordt dan gebruikt om snel een tastbaar model van het ontwerp ter beschikking te hebben.

Idea

Computer design

AMT Machine

Finished Product

Figuur 3 - Principe van 3D-printcyclus.

2.2 Nieuwe kansen voor de industrie 3D-printen krijgt steeds meer aandacht in de media en er zijn hoge verwachtingen omtrent de impact op onze economie. Desalniettemin is er nog veel technologieontwikkeling noodzakelijk om deze verwachtingen ook daadwerkelijk te kunnen realiseren. De groeiende omzet in 3D-geprinte producten en de groei in de verkoop van toebehoren voor 3D-printing (machines, materialen, services) geeft een positief beeld van deze technologie. Onderzoek van Gartner situeert de 3D-printtechnologie voor consumentenproducten op basis van kunststof op de zogeheten ‘peak of inflated expectations’ (Figuur 4). De verwachting van Gartner is dat het nog vijf tot tien jaar duurt voordat het ‘plateau of productivity’ wordt bereikt. Voor 3D-bioprinting duurt dit nog meer dan tien jaar en voor 3D-scanners vijf tot tien jaar. Deze analyse geeft echter wel het beeld aan dat 3D-printen bezig is een volwassen technologie te worden.


15

Expectations

3D Printing BYOD Complex-Event Processing Social Analytics Private Cloud Computing Application Stores Augmented Reality In-Memory Database Management Systems Activity Streams NFC Payment Internet TV Audio Mining / Speech Analytics NFC Cloud Computing Machine-to-Machine Communication Services Mesh Networks: Sensor Gesture Control

Wireless Power Hybrid Cloud Computing HTML 5 Gamification Big Data Crowdsourcing Speech-to-Speech Translation Silicon Anode Batteries Natural-Language Question Answering Internet of Things Mobile Robots Autonomous Vehicles 3D Scanners Automatic Content Recognition

Predictive Analytics Speech Recognition Consumer Telematics Idea Management

Biometric Authentication Methods Volumetric and Holographic Displays 3D Bioprinting Quantum Computing Human Augmentation

Consumerization Media Tablets

In-Memory Analytics Text Analytics

Mobile OTA Payment

Home Health Monitoring Hosted Virtual Desktops Virtual Worlds As of July 2012

Technology Trigger

Peak of inflated Expectations

Trough of Disillusionment

Plateau of Productivity

Slope of Enlightenment

Time Plateau will be reached in: less than 2 years

2 to 5 years

5 to 10 years

more than 10 years

obsolete before plateau

Figuur 4 - Gartner’s Hype Cycle van opkomende technologieën (2012).

3D-printen vindt de weg naar een breed spectrum aan producten in een groot aantal marktsegmenten. Het printen van textiel, medische implantaten en maatwerk-hulpmiddelen, reserveonderdelen voor auto’s, vliegtuigen en machines, gepersonaliseerde iPhone-hoesjes, zonnecellen, ... – het kan allemaal met 3D-printen. En nog veel meer, want uiteindelijk zijn de mogelijkheden van 3D-printen oneindig. Dit betekent niet dat alles wat geprint kan worden ook daadwerkelijk geprint gaat worden, maar het geeft aan dat de technologie zeer veelbelovend is en derhalve veel mogelijkheden biedt. Economisch succes zal bepaald worden door de mate waarin wij in staat zijn kostenefficiënt te produceren. Ook voor deze productiemethode geldt dat de afweging van kosten, performance en kwaliteit, levertijd en time-to-market bepalend is voor succes. Wat dat betreft biedt 3D-printen veel voordelen, zoals het direct fysiek beschikbaar krijgen van een ontwerp, het zogeheten ‘on-demand-manufacturing’. Dit betekent weinig tot geen materiaalverlies, geen voorraden behalve van het uitgangsmateriaal, hoge vrijheid van creatie en gepersonaliseerde applicaties. Er zijn ook indirecte voordelen: door gewichtsbesparingen van producten zoals onderdelen voor vliegtuigen en auto’s vermindert het brandstofverbruik, hetgeen de duurzaamheid vergroot. Consumentenproducten maar zeker ook de producten die in de medische markt worden toegepast lopen momenteel voorop. Het printen van een maatwerk-kunstgebit is hiervan een mooi voorbeeld. Zo ontwikkelt de medische markt zich zeker verder. Dit neemt echter niet weg dat met name ook de industrie de technologie moet oppakken en geschikt moet maken voor verdere industrialisatie richting andere sectoren, zoals luchtvaart, high-tech machinebouw, consumentenproducten, automotive en de foodsector.

16


Voor adoptie van de techniek zijn twee trends van belang: verbeteren en vernieuwen. Wanneer we spreken over verbeteren, vergelijken we de 3D-printtechnologie met de concurrerende huidige conventionele maakprocessen. Dan moet 3D-printen zich daarvan gaan onderscheiden op basis van de integrale kostprijs (opgebouwd uit materiaal, tooling, logistieke kosten), de doorlooptijden en de te garanderen kwaliteit. Vernieuwen biedt meer mogelijkheden: 3D-printen geeft meer ontwerpvrijheid. Denk aan het creëren van complexe stelsels van kanaaltjes in een manifold. Of aan complexe samengestelde producten, die veelal sneller, beter en goedkoper gefabriceerd kunnen worden met 3D-printen.

2.3 Scope en definities Industrial Printing betreft een verzameling van productieprocessen waarmee producten worden gemaakt door het (additief) opbrengen van materialen. Het betreft alle vormen van printen die niet grafisch zijn. Onder Industrial Printing vallen twee hoofdgroepen: 1. Additive Manufacturing, zoals dat wordt uitgevoerd door 3D-printprocessen voor het maken van fysieke 3D-eindproducten (zie Figuur 5a). 2. Het aanbrengen van materialen op substraten (platen), zoals het printen van elektronica, OLED’s, solarpanelen en displays. Hierbij worden geen inkten gebruikt, maar met name nieuwe printbare materialen, zoals geleidende materialen, metalen of polymeren (zie Figuur 5b).

a - 3D-printen/Additive Manufacturing

b - Aanbrengen van materialen op substraten.

Figuur 5 - Voorbeelden van eindproducten.

De onderhavige roadmap richt zich primair op de ontwikkelingen in 3-dimensionale Additive Manufacturing. Daarnaast worden de belangrijkste ontwikkelingen voor het aanbrengen van materialen op substraten beschreven in Hoofdstuk 6. Steeds vaker wordt de term 3D-printen gebruikt om alle AMT-processen (Additive Manufacturing Technology) aan te duiden. 3D-printen is dan ook de term die in deze roadmap wordt gebruikt voor het proces om vanuit een digitale representatie van een onderdeel of product laagsgewijs een eindproduct op te bouwen.


17

2.4 Voordelen Er zitten verschillende voordelen aan het laagsgewijs opbouwen van producten. Figuur 6 geeft enkele belangrijke voordelen weer.

Kosten verlagen (kleine series) • Geen tooling • Beperkt/geen transport • Beperkt/geen magazijn • Geen voorraadverlies

Designcomplexiteit en -functionaliteit • Toevoeging features (koelingskanalen, geluidsisolatie, interne structuren, hybride materialen laag-om-laag, etc.) • Functies beter uitvoeren (porositeit, elektrische geleiding, etc.)

Customized

Duurzaamheid

• Ergonomisch design (naar extern lichaam)

• Minder materiaal (afval)

• Anatomisch design (naar intern lichaam)

• Lichtgewicht producten

• Esthetisch design (naar smaak)

• Efficiënte supply chains • Life Cycle Analysis lager

Nieuwe businessmodellen • Goedkoper kleine serie producten maken • Iteratiesnelheid/ verkorten time-tomarket (prototyping) • Verkorten van servicetijd, lead times

• Lichtgewicht producten

• Nieuwe supply chains (on demand, on location)

• Assemblage onderdelen door ontwerp (integrale functies) en tijdens productieproces

• Bieden nieuwe services (printer bij de klant) • Design-en-print- het-zelf • Co-creatie

Figuur 6 - Overzicht van voordelen van 3D-printen.

Kosten verlagen Een groot voordeel van laagsgewijs aanbrengen van materiaal is dat de integrale kosten lager kunnen uitvallen wanneer er geen tooling (bijvoorbeeld in de vorm van mallen of matrijzen) nodig is. Dat geldt in het bijzonder voor complexe producten of onderdelen die in lage volumes worden geproduceerd. De toolkosten moeten in dat geval over een kleine hoeveelheid producten worden afgeschreven, waardoor de kosten per product vrij hoog zijn. Daarnaast biedt 3D-printen de mogelijkheid om dichter bij eindklanten te produceren zonder grote voorraden aan te houden (‘on demand, on location’). Hiermee kunnen voorraadverliezen (obsolete geraakte producten) worden vermeden. Omdat er steeds meer professionele 3D-printers wereldwijd beschikbaar zijn tegen acceptabele kostprijs, komt de techniek steeds meer in het bereik van kleinere ondernemingen en zelfs van particulieren. Vormvrijheid en maatwerk Een groot voordeel van 3D-printen is de vormvrijheid van het ontwerp. Er hoeft nauwelijks rekening te worden gehouden met maakbaarheidsbeperkingen vanuit tooling (bijvoorbeeld lossingen van matrijzen) of bewerkingsbeperkingen (bijvoorbeeld interne kanalen maken met CNC). Daardoor ontstaan nieuwe mogelijkheden om eigenschappen aan het eindproduct toe te

18


voegen, zoals cilindrische koelingskanalen en interne verstevigingsstructuren. Ook is het mogelijk om productfuncties beter uit te voeren, zoals het benutten van porositeit en het verbeteren van elektrische geleiding. Deels zijn deze mogelijkheden nog niet bekend: ontwerpers moeten hiervoor opnieuw de functionaliteit van het product bestuderen en een vernieuwd ontwerp maken, met de specifieke randvoorwaarden die de 3D-printtechniek daaraan stelt. Met 3D-printen kunnen producten ook licht van gewicht gemaakt worden middels constructies op basis van interne structuren (vergelijkbaar met een honingraat). Ook kunnen producten complexe designs bevatten, zodat onderdelen kunnen worden geïntegreerd tot één geheel (hoger stuklijstniveau) zonder de noodzaak van assemblageprocessen om een onderdeel als een hybride uit te voeren. Bovendien zijn er eenvoudig customized producten (one-offs) te printen die zowel ergonomisch, anatomisch als esthetisch customized kunnen zijn. Duurzaamheid Wat betreft duurzaamheid biedt het aanbrengen van materiaal voordelen ten opzichte van het weghalen van materiaal (verspanen). Er is minder afvalmateriaal dan bij veel verspanende processen, zoals bij het conventionelere frezen, draaien en slijpen. Ook is er minder energie nodig bij het opbouwen van bijvoorbeeld 10% materiaal dan bij het weghalen van 90% van het materiaal om de uiteindelijke 10% over te houden. Ook koelmiddelen en andere hulpstoffen zijn niet of minder vaak nodig. Lichtgewicht producten kunnen in de gebruiksfase leiden tot minder energieverbruik, denk aan lichtere auto’s en vliegtuigen. Daarbij wordt ook brandstof bespaard door efficiëntere supply chains (on demand, on location). Er is immers minder transport nodig om producten op de plaats van bestemming te krijgen door uitgangsmateriaal in plaats van eindproducten af te leveren. Tevens biedt 3D-printen een alternatieve oplossing voor het voorraadbeheer van obsolete componenten en producten. Normaliter vergen die in de eindfase van de levenscyclus extra voorraad om levergaranties te realiseren. Dit alles leidt in veel gevallen tot een positief uitvallende Life Cycle Analysis (LCA), oftewel een lagere milieubelasting. Nieuwe businessmodellen De opgesomde voordelen van 3D-printen kunnen ook leiden tot nieuwe businessmodellen. Gezien de lagere toolingkosten kunnen met 3D-printen op een goedkopere manier lagere volumes geproduceerd worden. Daarnaast kan het digitale karakter van de technologie en het ontbreken van tussenstappen tussen ontwerp en productie de productontwikkeling versnellen: er valt tijdsvoordeel te behalen met de verkorting van de iteratieslagen door middel van tastbare 3D-geprinte voorwerpen (prototyping). 3D-printen kan ook worden ingezet bij het versnellen van het overgaan tot productie. Steeds vaker worden nulseries geprint, mits hierbij geen certificeringen komen kijken. Ook kunnen servicetijden en reparatietijden worden verkort. Geheel nieuw ingerichte supply chains komen binnen handbereik doordat verschillende schakels in de keten overbodig worden (toelevering van tools, opslag en transport van voorraden). Wellicht de interessantste kans voor nieuwe business is het aanbieden van nieuwe services. Zoals het neerzetten van een 3D-printer op locatie (bijvoorbeeld een chemische plant, boorplatform of bouwplaats) om producten lokaal te vervaardigen op het moment dat ze nodig zijn. Bovendien is voor deze nieuwe techniek enige kennis van CAD-modelleren noodzakelijk – dus kunnen engineers derden hulp aanbieden bij het ontwerpen en printen van hun eigen producten.


19

Consument en logistieke keten Door de toegankelijkheid van de 3D-printtechniek zullen consumenten steeds vaker hun eigen ontwerpen maken. Zij kunnen gebruik maken van compacte en eenvoudige printers die zij thuis kunnen gebruiken, of hun ontwerp opsturen naar een printservice die dat vervolgens print en toestuurt. Consumenten ontwerpen en customizen nu al eenvoudige gebruiksartikelen, sieraden, kledingstukken en accessoires zoals telefoonhoesjes. Doordat het vervaardigen van producten zo toegankelijk is geworden voor consumenten, ontstaat een cruciale verschuiving in de logistieke keten: van het kopen van producten in de winkel naar het printen van deze producten thuis. Dit betekent dat de logistieke stroom in materialen sterk verandert, maar ook dat in plaats van producten er digitale ontwerpen worden gekocht (bijvoorbeeld via een App-store). Ontwerpers van producten worden dan betaald per download in plaats van per verkocht fysiek product. Business-to-Business Er ontstaat een enorme ‘freedom of creation’, waarbij creativiteit eindeloos toepasbaar lijkt en iedereen snel een ontwerp kan uitproberen in de praktijk. Desalniettemin berust het succes van 3D-printen vooral op de Business-to-Business-markt (B2B). De B2B-markt zorgt ervoor dat de innovaties professionaliseren. Nieuwe ontwerptools, materialen, printprocessen en applicatiemogelijkheden krijgen door de investeringen vanuit de B2B-markt de mogelijkheid om volwassen te worden. Medische producten in de vorm van maatwerk-implantaten en -hulpmiddelen zullen verder vernieuwen en in aantal toenemen, evenals onderdelen voor machinebouw, automotive, luchtvaart en defensie. En de machinebouw (3D-printers) zelf zal innoveren en groeien.

2.5 Nadelen Er zitten echter ook (nog) enkele nadelen aan 3D-printen. Voor grote series en heel grote onderdelen (bijvoorbeeld groter dan een kubieke meter) is de technologie nog niet geschikt en uitontwikkeld. Voor grote series zal het naar verwachting waarschijnlijk altijd interessanter blijven een aparte tool (mal of matrijs) te maken om mee te produceren, tenzij de vorm alleen met additieve technologie gemaakt kan worden. De conventionele technieken hebben vaak ook als voordeel dat de gebruikte materialen en de machines nu nog goedkoper zijn dan die voor 3D-printen gebruikt worden. Ook ligt de productiesnelheid bij conventionele technieken vaak vele malen hoger en is er minder nabewerking noodzakelijk. Daarentegen verwacht men in de toekomst voor grotere producten voldoende productiecapaciteit. Er zijn reeds printers beschikbaar die designs van 3.000 x 2.000 x 2.000 millimeter kunnen printen in polymeer. Metaalprinters voor grotere producten zijn ook in ontwikkeling. Een ander nadeel is dat 3D-printen technologisch voor enkele materialen nog onvolwassen is (kunststof is voor prototypingdoeleinden al wel ver ontwikkeld). De verwachting is dat de performance (tijd, oppervlaktestructuur) verbetert en de kosten (materiaal, machines) zullen dalen.

20



21

3

22

Marktontwikkelingen


3.1 Marktontwikkelingen komende vijf jaar De marktverwachtingen voor 3D-printen worden wereldwijd zeer positief ingeschat. Over de afgelopen 24 jaar is een zeer sterke groei van gemiddeld 26,4% (CAGR) genoteerd. Naar verwachting zal deze groei zich doorzetten, tot ruim $ 6 miljard in 2019 (zie Figuur 7). Wat betreft de reden voor het gebruik van 3D-printen blijkt de markt momenteel primair gericht op het maken van prototypes (rapid prototyping). Echter, het aandeel van het produceren van eindproducten is in de laatste jaren sterk gegroeid, tot ruim 24% van de totale marktomvang. De verwachting (Wohlers, 2012) was dat dit zich versterkt doorzet en voor 2012 zou resulteren in ruim $ 400 miljoen. Ongeveer de helft van de huidige markt betreft de verkoop van machines en materialen. De andere helft is productie en services, zoals het printen van onderdelen, engineering en consultancy. (x miljoen) $ 7.000 $ 6.000 $ 5.000 $ 4.000 $ 3.000 $ 2.000 $ 1.000 $0 2013

2015

2017

2019

Figuur 7 - Verwachte marktgroei voor 3D-printen (Wohlers, 2012).

Langetermijn-marktonderzoek laat zien dat de verwachtingen zelfs nog hoger zijn: volgens McKinsey kan de markt groeien tot $ 230-550 miljard in 2025. Het aandeel van consumenten producten ($ 100-300 miljard) wordt nog steeds hoog ingeschat, evenals industriële applicaties ($ 100-200 miljard) en daarnaast tooling zoals mallen en matrijzen ($ 30-50 miljard). In deze prognoses zijn de integrale kosten van het eindproduct meegenomen, inclusief materialen, printmachines, thuisprinters, designtools en bijvoorbeeld testsystemen. Er is een sterk onderscheid tussen applicaties voor de consumentenmarkt (B2C) en industriële toepassingen (B2B). Met name voor de consumentenmarkt wordt een nog veel groter potentieel voorzien, als alle verwachtingen worden waargemaakt. Dit is inclusief het toenemende aantal thuisprinters en het oneindige aanbod van digitale ontwerpen die via web-stores als download worden aangeboden. Het printen van consumentenproducten – thuis of in de printshop om de hoek – heeft enorme gevolgen voor het logistieke proces, waarbij de rol van winkelketens afneemt en de materiaalvoorziening enorm zal toenemen. Applicaties van 3D-printen zijn te vinden in een breed scala van eindmarkten, zoals in Figuur 8 is weergegeven. Hierbij zijn ook de marktgrootte en -potentie aangegeven. Consumentenapplicaties


23

zijn sterk vertegenwoordigd, maar industriële toepassingen excelleren naar verwachting door het krachtige aanbod van beschikbare materialen, designtools, printers en ontwerpen. Zelf applicaties maken en reproduceren zijn de drivers van succes.

Markt

Marktgrootte*

Potentie

Medical / Dental

15% van huidige markt

Hoog

Aerospace


Hoog

Automotive


Hoog

Consumenten (lifestyle & fashion)


Zeer hoog

Machinebouw / Apparatenbouw / Tooling


Hoog

Electronics en electronic devices

Zie Printen op substraten (Hoofdstuk 6)

Hoog

Defensie


Gemiddeld

Offshore, energie, procesindustrie

Beperkte penetratie

Laag

Bouw

>3% (met name architectuur)

Gemiddeld

Consumenten (safety)

Beperkte penetratie

Laag

Food

Zeer beperkte penetratie

Laag

Figuur 8 - Overzicht van markten, marktgrootte en -potentie.

3.2 Markten en applicaties 3D-printen is in veel verschillende markten toepasbaar. Figuur 9 geeft weer in welke markten reeds applicaties geproduceerd worden met behulp van 3D-printen en welke te verwachten applicaties er zijn.

24


Markt

Applicaties (nu)

Applicaties (toekomst)

Medical / Dental

Protheses, implantaten, hearing aids, bruggen, beugels, brillen, tooling, gereedschappen, scanning

Levende cellen, organen, aderen, hartkleppen, botten, scaffolds, smart packaging medicijnen, (smart) pillen

Aerospace

Prototyping, complexe lowvolume (spare) parts, lichtgewicht constructiedelen, kleine metalen parts

Parts voor motoren, steeds meer functionele parts.

Automotive

Prototyping, high-performance onderdelen (race), lichtgewicht delen, spare parts

Complexe low-volume (spare) parts, personalized interieurdelen, keramiek motoronderdelen, sensoriek incl. package, manifolds, oldtimers

Consumenten (lifestyle & fashion)

Customized producten, zelfontworpen meubelen, speelgoed, juwelen, kunstvoorwerpen, kleding

Diverse andere applicaties/markten, customized, reversed engineering (scanning), end-of-life producten

Machinebouw / Apparatenbouw / Tooling

Prototyping, low-volume (spare) parts, mallen en modellen

Samengestelde complexe delen, manifolds, veel interne (hydraulische) kanaaltjes, lichtere delen voor betere precisie, delen met hoge functionaliteit, grijpers

Electronics en electronic devices

PCB’s, behuizingen elektronica

(O)LED’s, integrated circuits, zonnepanelen, RFID-chips, microdevices

Defensie

Tools, spare parts (on location)

Interne structuren wapens, lichtgewicht bescherming, ‘gear’ op maat

Offshore, energie, procesindustrie

Complexe parts, heat shields

Spare parts op locatie, complexe manifolds, complexe joints, microreactoren, filtersystemen

Bouw

Maquettes

Printen bouwmaterialen, customized onderdelen huis, complete geprinte huizen

Consumenten (safety)

Veiligheidshelmen

Lichaamsbescherming op maat, veiligheidsstoelen

Food

Custom-made food, grappige vormen

Maaltijd speciaal afgestemd op persoon (ingrediënten), maaltijdpil

Figuur 9 - Overzicht van markten en bijbehorende huidige en toekomstige applicaties (Bron: Wohlers Report, 2012 (marktgrootte), expertmeeting en teamanalyse).

Medische sector In de medische sector wordt reeds op ruime schaal gebruik gemaakt van 3D-printen. Wohlers schat in dat 15% van alle omzet in 3D-productie op dit moment medische toepassingen betreft. De applicaties bestaan primair uit tooling, maar ook uit protheses, gehoorapparaten, implantaten en orthopedische hulpmiddelen (zie Figuur 10). Deze markt kan sterk groeien door techno logische ontwikkelingen zoals de opkomst van voor 3D-printen geschikte biocompatibele materialen. Een interessant toepassingsgebied is ook het printen van structuren om cellen op of in te laten groeien. In de verdere toekomst (over meer dan tien jaar) gloort het printen van levende cellen om bijvoorbeeld organen te kunnen printen.


25

Belangrijke ontwikkelingen die acceptatie van de technologie in de medische wereld naar verwachting bespoedigen: Verbetering van het oppervlak van geprint product, liefst naad- en structuurvrij; dit door beter printen of eenvoudige oppervlaktebehandelingen. Certificering van printprocessen. Certificering van materialen. Ontwikkeling van biocompatibiliteit van materialen.

Figuur 10 - Voorbeeld van geprinte kiezen en tanden (Bron: Concept Laser GmbH).

Luchtvaart In de luchtvaart worden op dit moment uitgebreid de mogelijkheden verkend van 3D-printen. Dit betreft met name prototyping, maar er komen steeds meer voorbeelden van geprinte eindproducten. Er zijn in deze markt veel kansen, gezien het grote aantal dure en complexe onderdelen waarvan slechts kleine series nodig zijn. Met behulp van 3D-printen kunnen daarnaast, anders dan met conventionele technieken, holle verstevigde structuren worden gemaakt; dit reduceert de benodigde hoeveelheid materiaal (zie Figuur 11). Figuur 11 - Lichtgewicht verbindingsmateriaal voor de luchtvaartindustrie.

Het belang en de potentie van gewichtsbesparing, en daarmee brandstofbesparing, die met 3D-geprinte onderdelen gerealiseerd kan worden is groot in deze sector. Daardoor zijn relatief grote budgetten in deze markt voorhanden. Tevens kan het op locatie printen van reserveonderdelen veel tijd en daarmee kosten besparen. Wachten op onderdelen voor onderhoud, waardoor een vliegtuig of helikopter aan de grond staat, kost veel geld. In de commerciële luchtvaart rekent men met de vuistregel van een $ 0,5 miljoen per verloren vluchtdag. Ook de ruimtevaart kan interessant zijn. Hier worden vaak dure, complexe parts gewenst. De gestelde eisen zijn momenteel echter nog te hoog voor 3D-printen. Voorwaarde voor groei in deze markt is dat het printen van met name lichte metalen en zeer sterke composieten qua performance en kosten dichter bij de momenteel gangbare technieken en materialen komt. De verwachting is dat dit in de komende vijf jaar gebeurt en op middellange termijn (vijf tot tien jaar) voor een doorbraak in de luchtvaartindustrie zorgt. Voor de ruimtevaart duurt dat waarschijnlijk langer.

26


Belangrijke ontwikkelingen die acceptatie van de technologie in de luchtvaart bespoedigen zijn: Certificering van materialen. Certificering van processen. Verbetering van de performance in relatie tot het voldoen aan specifieke eisen, met name aan de sterkte en stijfheid van de vervaardigde onderdelen (vermoeiing en vervorming van materialen). Automobielindustrie De automobielindustrie is een aantrekkelijke en nu al grote markt, waarin de 3D-printtechnologie momenteel vooral wordt toegepast voor prototyping (zie Figuur 12). Er zijn echter al voorbeelden van kunststofonderdelen voor interieurdelen die in producten voor eindgebruikers worden gebruikt. Voor het exterieur zijn de toepassingen voor eindproducten nog beperkt vanwege certificeringen en garanties. In de autorensport gebruikt men wel geprinte onderdelen voor het exterieur. Formule 1-renstallen benutten 3D-printen bijvoorbeeld voor het aanpassen van de spoilers aan het circuit. In deze markt zijn gewichtsbesparing en personalisatie van groot belang. Ook het feit dat 3D-printen primair interessant is voor lage volumes, is interessant in deze branche. De verwachting is dat de komende vijf jaar de toepassing van 3D-printen verder toeneemt. Voor de automobielindustrie zijn kosten, afwerking en 100% uniformiteit zeer belangrijke factoren. Vandaar dat in eerste instantie ‘specialty products’ en klantspecifieke productelementen de aantrekkelijkste niches lijken te vormen. Bij serie- en massaproductie spelen producten procescertificering een belangrijke rol. Ontwikkelingen op dit terrein zullen de toepassing van 3D-printen in de automobielindustrie versnellen.

Figuur 12 - Voorbeeld van ‘concepts cars’ (prototypes) gemaakt voor Citroën (Bron: Laurent Nivalle, Centre de Création Citroën)

Consumenten (lifestyle, fashion & safety) Een wezenlijk deel van de huidige productie van 3D-geprinte artikelen betreft consumentengoederen (lifestyle & fashion). Producten als sieraden en gepersonaliseerde objecten (eigen designs) zijn samen goed voor ongeveer 20% van de totale markt voor 3D-geprinte goederen (Wohlers, 2012). Andere voorbeelden van eindproducten zijn designlampen en andere interieuraccessoires (via bijvoorbeeld serviceproviders/designers FOC of MGX), customized juwelen en avatars. De ontwikkeling van machines die ‘print it yourself’ mogelijk maken (Ultimaker, Le cube, Makerbot) en de opkomst van sites als Shapeways en Materialise maken de techniek voor nieuwsgierigen toegankelijk en bespoedigen de acceptatie bij consumenten. Daarnaast zijn er verschillende toepassingen van ‘custom-fit’ producten, zoals op lichaam aangepaste helmen, guards (tand- of elleboog-/kniebescherming) en schoenen. In de toekomst worden naar verwachting ook stoelen en kleren vaker gepersonaliseerd; zie Figuur 13. In de praktijk blijkt het voordeel van op lichaam aangepaste voorwerpen eerder cosmetisch dan veiligheids- of prestatiebevorderend te zijn. Imago speelt dan een belangrijke rol. Daarnaast zijn er nog juridische barrières. Een voorbeeld: helmen moeten minimaal een aantal keren destructief worden getest, terwijl de seriegrootte van het geïndividualiseerde product één stuks is. Dit is een issue, omdat juist ten aanzien van veiligheids- en beschermingsproducten de certificeringseisen dominant zijn. Als er een oplossing komt voor deze problemen, is groei te verwachten in deze markt.


27

Over het algemeen zijn de eisen die consumenten aan hun (vaak zelfontwikkelde) producten stellen lager dan in de professionele markt. Met name de aspecten herhaalbaarheid en 100% uniformiteit zijn voor consumenten minder van belang. Voor de consumentenmarkt (fashion en lifestyle) zijn lage kosten, een goede afwerking en ready-to-use dominante eisen. De verwachting is dat deze markt sterk blijft groeien door steeds meer toepassingen in verschillende segmenten. Het feit dat steeds meer particulieren en kleine bedrijven een eigen printer willen hebben, biedt tevens mogelijkheden voor nieuwe businessmodellen. Machinebouw/tooling Ongeveer 10% van de huidige 3D-productie betreft machineonderdelen en tooling. Voor een groot deel gaat het hier over prototypes, maar het aandeel eindproducten stijgt snel. Er zijn veel mogelijkheden Figuur 13 - Geprinte jurk van Iris van Herpen.

voor marktgroei. Deze markt kent veel dure, complexe, low-volume onderdelen (bijvoorbeeld

manifolds). In veel gevallen is een goedkopere oplossing te vinden via 3D-printen. Daarnaast worden op dit moment veel onderdelen en tools níet geproduceerd, omdat het niet economisch rendabel is. Een mal maken voor een kleine serie is vaak financieel niet aantrekkelijk. 3D-printen kan in dit segment dus leiden tot daadwerkelijke marktvergroting, omdat rendabel produceren van kleine series en aangepaste producten mogelijk wordt. Ook voor serieproductie biedt de techniek kansen (zie Figuur 14): goedkopere mallen kunnen het risico beperken. Er kan sneller een proefmal gemaakt worden, waarmee kinderziektes van het ontwerp sneller zijn te verhelpen. Met een dergelijke eerste mal kan eventueel zelfs al de eerste serie geproduceerd worden. Moet er normaliter rond de zes weken gewacht worden op een productiemal, nu is de levertijd afhankelijk van de grootte van de mal en de snelheid van de printer. Voorwaarde is wel dat het printen van met name metalen onderdelen qua performance en kosten aantrekkelijker wordt. Dan is een grote groei op korte en middellange termijn te verwachten. De belangrijkste drijfveer is echter de ontwerpvrijheid die 3D-printen biedt, waardoor het mogelijk wordt complexe producten te vervaardigen die normaliter niet vervaardigd kunnen worden. Een voorbeeld is een tool met complexe kanaalstelsels, dat niet met conventionele apparatuur gemaakt kan Figuur 14 - Een opengewerkte versie van een insert, met koelkanalen, voor een productiemal (Bron: Concept Laser GmbH).

worden, maar wel prima is te printen.

Electronics en electronic devices De elektronische sector is in potentie een zeer grote markt. Zeker wanneer het printen op substraten (2D) eenvoudiger kan worden toegepast. Voor adoptie van de techniek is een verdere verbetering

28


noodzakelijk in precisie en reproduceerbaarheid. De verwachting is dat op korte termijn steeds meer machines voor printen op substraten worden ontwikkeld (bijvoorbeeld Mutracx). Specifieke ontwikkelingen (onder meer met betrekking tot hechting) krijgen op dit moment aandacht. Miniaturisering speelt ook een grote rol. Zo hebben onderzoekers op Harvard met een 3D-printer een batterij gemaakt van minder dan een millimeter groot, met dezelfde energiedichtheid en levensduur als van de accu van een telefoon. Dergelijke ontwikkelingen maken geheel nieuwe concepten mogelijk. Defensie Over de defensiemarkt is bekend is dat 3D-technieken worden benut en dat er inmiddels veel kansen zijn, bijvoorbeeld om de bevoorrading, productie en reparatie ‘in het veld’ efficiënter te laten verlopen. Op dit moment is naar schatting zo’n 6% van de 3D-productie ten behoeve van de defensiemarkt. De te verwachten applicaties zijn complexe, low-volume onderdelen en reserveonderdelen (‘spare parts on demand’), waarschijnlijk primair voor vaar-, voeren vliegtuigen. Voor defensie zijn de eisen per productgroep verschillend en worden ontwikkelingen voorzien voor toepassingen op het gebied van aerospace, automotive, electronics en machinebouw. Offshore, energie en procesindustrie Onbekend is hoe interessant deze markt is voor 3D-geprinte onderdelen. Er zijn voorbeelden van complexe onderdelen (heat shields) voor energiecentrales en windturbines. Ook is bekend dat petrochemische en offshore-multinationals 3D-printen onderzoeken. Met name het feit dat onderdelen relatief snel ter plekke kunnen zijn, biedt voordeel voor deze industrie. Ook hier geldt dat stilstand van installaties veel geld kost. Echter, dit zijn sectoren met vaak heel hoge certificeringseisen. Daarnaast spelen betrouwbaarheid, maatvoering (volumineus) en robuustheid een grote rol. Conceptueel gezien lijken de mogelijk heden die 3D-printen biedt voor ‘on demand, on location’ printen zeer interessant. Maar gelet op de hoge eisen en de maatvoering is in deze sector pas op middellange termijn een grote groei van 3D-printen van onderdelen te verwachten. Bouw Op dit moment wordt 3D-printen in de bouw primair gebruikt voor maquettes. Geschat wordt dat dit 3% van de totale 3D-productie betreft. Daarnaast zijn er al voorbeelden van (customized) producten zoals beslag (deurklink, bel) en kozijnen. Groei is op korte termijn te verwachten, omdat architecten en groothandelaren op zoek zijn naar nieuwe mogelijkheden om kosten te verlagen, terwijl men tegelijkertijd aan de vraag van de consument naar individualisering tegemoet wil komen. Het daadwerkelijk printen van bouwmaterialen, bijvoorbeeld de muren van een huis, is op pilotschaal al toegepast (grachtenpand door DUSArchitecten). Duurzaamheid (bijvoorbeeld materiaalbesparing en hergebruik) is een belangrijke driver voor ontwikkelingen op dit terrein. De verwachting is dat het printen van huizen op de langere termijn mogelijk wordt. De initiatieven op dit terrein krijgen veel aandacht, maar bevinden zich allen nog in het experimentele stadium. Over het algemeen geldt dat het kostenverschil op dit moment een groot voordeel biedt bij het vervaardigen van maquettes, maar nog een grote remmende factor is om 3D-printen grootschalig in deze markt in te zetten voor eindproducten.


29

Food Er is veel aandacht voor het printen van voedsel, met name omdat het tot de verbeelding spreekt. Op dit moment zijn er voorbeelden van geprint voedsel en wordt naar toepassingen gekeken voor bijvoorbeeld customized chocolade en gebak. Voor voedsel zijn de certificerings- en veiligheidseisen hoog. Daarnaast is de economische rentabiliteit op dit moment nog ver te zoeken. In feite kost het nu extra bewerkingen om een product te maken dat lijkt op een bestaand product. Tegenvraag is: waarom zou je bijvoorbeeld een wortel willen printen? Decoratief (food design) biedt daarentegen wel veel mogelijkheden. Op langere termijn (meer dan tien jaar) is wellicht een interessante toepassing het printen van voedsel dat qua ingrediënten (koolhydraten, vetten, medicatie, vitaminen/mineralen, etc.) precies is afgestemd op een individuele behoefte; zie Figuur 15. In de culinaire sector kan voedsel printen wellicht korte tijd een hype worden, maar dan moet de smakelijkheid van geprint voedsel wel aanmerkelijk verbeteren. Doorredenerend komt men uit op interessante opties als het maken van geïndividualiseerde medicijnen, waarbij pillen op maat met de juiste samenstelling worden geprint; dit in plaats van het verstrekken van verschillende soorten pillen.

Figuur 15 - Geprinte lekkernijen tijdens de Food Inspiration Days in Eindhoven (TNO).

3.3 Markten en eisen In de genoemde markten gelden zoals hierboven geschetst verschillende eisen. Tevens zullen er binnen een markt ook verschillen zijn per producttype of onderdeel van een applicatie. In algemene zin zijn er drie hoofdeisen aan een productieproces of het desbetreffende product: juiste kosten: is de applicatie concurrerend te produceren? juiste kwaliteit: voldoet de applicatie aan de gesteld specificatie en eisen? juiste levertijd: kan de applicatie op tijd geleverd worden? Figuur 16 toont schematisch de balans die moet worden gevonden tussen eisen en prestatie. Sommige voordelen, zoals vormvrijheid, kunnen leiden tot geheel nieuwe mogelijkheden, waardoor de kosten niet moeten worden vergeleken met de huidige producten, maar met de meerwaarde voor het verbeterde of het geheel nieuwe product. Daarnaast moet bij de afweging tussen kosten en kwaliteit ook gekeken worden of 3D-printen besparingen in de keten kan opleveren (‘on demand, on location’ productie). Een andere mogelijkheid is dat er bij een klant door snelle levering meerwaarde gecreëerd kan worden, omdat bijvoorbeeld bouwprojecten of productieplants minder lang stilliggen.

30


Eisen

Prestatie

Kostprijs

Sterkte & Stijfheid

Levertijd

Nauwkeurigheid

Kwaliteit

Oppervlakteruwheid

Functie

Reproduceerbaarheid

Figuur 16 - Balans tussen eisen en prestatie.

Wat betreft de snelheid van levering kan 3D-printen ervoor zorgen dat productontwikkeling wordt versneld (prototype tot eindproduct). Daarnaast kan ‘on demand, on location’ productie tot kortere levertijden leiden. Echter, als levertijden van de bestaande producten erg kort zijn (< 24 uur), doordat ze in de nabije omgeving op voorraad zijn, kan ‘on demand’-productie via 3D-printen deze eis niet halen. 3D-printen kan dan alsnog interessant zijn vanwege de kleine series, maar er zullen dan wel strategische voorraden aangelegd dienen te worden.

3.4 Potentiële projecten In Figuur 17 zijn de applicaties weergegeven die tijdens de workshop “Applicaties & materialen” (Berenschot, 6 maart 2013) door verschillende partijen zijn beoordeeld op kansrijkheid. Voor twintig product-marktcombinaties (PMC’s) is een zogeheten RRR-analyse uitgevoerd: de mogelijke opbrengsten in de markt (Rewards); de risico’s (Risks) voor de PMC-ontwikkeling alvorens daadwerkelijk gekwalificeerd de eindmarkt te betreden; de beschikbaarheid van de noodzakelijke competenties (Resources, in de figuur vertegenwoordigd door de grootte van de bol) om zowel de producten te ontwikkelen als het product succesvol in de markt te zetten.


31

4,5

8 3,5

1

Risks

20

3

18

14 13 12

16

10

2 7

5

11

2,5 17

4

9

15

6 19

1,5 2,5

3,5

4,5

Rewards

Marktsectoren

Projectbeschrijving 1

Botvervanging en implantaten

Medisch

2

Hybride devices, geïntegreerd mechanisch & elektronisch

Medisch

Automotive

Consumer

3

Functie-integratie in enkelvoudig component/device

Luchtvaart

Automotive

HTSM

4

Manifolds en complexe nieuwe devices op basis van ontwerpvrijheid

Food

Automotive

HTSM

5

Spare parts

Luchtvaart

Automotive

HTSM

6

Prototypen

Alle

7

Large surface (OLED, solar, etc.)

Bouw

PV-solar

HTSM

8

Functie-integratie in multi-materiaal, monolithische producten

Medisch

Grafisch

HTSM

9

Temperatuurbeheersing

Luchtvaart

Automotive

HTSM

10

Bruggen/kronen

Medisch

11

Personalized interieurdelen

Automotive

12

End-of-life onderdelen (machinebouw)

HTSM

13

Filtersystemen

HTSM

14

Lichtere constructies

Luchtvaart

Automotive

HTSM

15

Operatiehulpdelen (mallen)

Medisch

16

Customized packaging chips

Consumer

Medisch

17

Smart packaging

Food

Medisch

Consumer

18

Obsolete componenten

Consumer

HTSM

Automotive

19

Juwelen

Consumer

20

Ingrediënten/voedingsmiddelen op maat

Food

Medisch

Figuur 17 - Rewards, Risks en Resources, bepaald voor twintig mogelijke applicaties (Berenschot, 2013).

32


In Bijlage 5 wordt een aantal geselecteerde projecten nader omschreven.

“

Toekomstige manufacturing-systemen zullen bestaan uit hybride systemen die

Additive Manufacturing combineren met conventionele technieken, zoals pick & place voor het plaatsen van bijvoorbeeld chips en optische sensoren tijdens het bouwen. Dit is de kortste route naar het realiseren van intelligente producten met geïntegreerde conditiemonitoring en communicatie. Chips en andere massaproducten zullen we waarschijnlijk nooit economisch kunnen printen in

“

series van miljoenen.

Frits Feenstra Senior projectmanager & trekker Printing Research, TNO


33

4

34

Technologieontwikkelingen


4.1 Technologische samenhang Het hart van 3D-printen wordt bepaald door de eigenschappen van de te verwerken materialen, de toe te passen processen en de beschikbare designtools. Voor iedere applicatie is een optimale keuze te maken uit het palet van mogelijke materialen met daarbij passende processen om voorspelbaar en reproduceerbaar producten te kunnen vervaardigen. De interactie in dit deel van de keten is cruciaal voor het succes van een product en vaak complex van aard. Keuzes zijn afhankelijk van de eigenschappen van het product, waarbij bijvoorbeeld aantallen, complexiteit, toepassingseisen en kostprijs belangrijke criteria zijn voor het bepalen van die keten. Figuur 18 laat zien waar de komende tijd de uitdagingen liggen om 3D-printen een technologische stap voorwaarts te brengen. Dit zijn tevens de uitdagingen waar de spelers in ons ecosysteem zich op kunnen richten om nieuwe business te genereren.

Materialen

Processen

Design

Snelheid Tools Meer materialen

Stabiliteit/repeatability

Nauwkeurigheid

Diagnostiek

Meer kleuren

Simulatie

Surface finishing

Post-processing

Software

Building space

(Multi) Material processing

Automatisering Automatisering Hybride processen

Figuur 18 - Overzicht van de uitdagingen voor 3D-printen in technologische ontwikkeling van materialen, processen en design.

4.2 Processen: overzicht De basis van 3D-printen wordt gevormd door het te printen materiaal en het bijbehorende proces dat het materiaal laag voor laag verwerkt tot het gewenste product. Er bestaan verschillende processen om een product op te bouwen. Figuur 19 geeft de bekendste processen weer. Deze processen zijn onderverdeeld in processen voor materialen in vloeibare vorm (polymerisatie) en in vaste vorm. Van ieder proces wordt een korte beschrijving gegeven van de state-of-the-art en op hoofdlijnen wordt de potentie voor verdere technologieontwikkeling aangegeven.


35

Additive Manufacturing / 3D printing Technologies

Vloeibaar

Vast

Polymerisatie

Laser Beam

Lamp

Vat Photo Polymerisatie (Stereo Lithography Apparatus (SLA))

Jetten

Material Jetting & Binder Jetting (Printen op substraten)

Plaat

Draad

Poeder

Snijden en samenvoegen

Samensmelten

Samensmelten en lijmen

Sheet Lamination (Laminated Object Manufacturing (LOM))

Material Extrusion & Directed Energy Deposition (Fused Deposition Modelling (FDM), 3D Printing)

Powder Bed Fusion (Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM)

Figuur 19 - Overzicht van bestaande 3D-printtechnologieën (Bron: Strategic Research Agenda, AM platform, 2011; ISO /TC 261, 2013).

Vat Photo Polymerisation (Stereo Lithography Apparatus, SLA) Bij deze techniek wordt vloeibaar materiaal (polymeren en keramiek) in een bad laag voor laag uitgehard door een laser. Het bekendste voorbeeld is Stereo Lithography Apparatus (SLA). Dit is een van de eerste 3D-printtechnologieën; SLA wordt al wereldwijd op diverse plaatsen operationeel in de markt toegepast. Primair voor prototyping in de consumentenmarkt, maar ook in automotive en defensie, en er zijn prototypetoepassingen in de markten zoals medisch/dental, aerospace en machinebouw. Aangezien dit een wat oudere technologie betreft, heeft er al veel technologieontwikkeling plaatsgevonden. Er zijn veel patenten aangevraagd en toegekend. Deze technologie is relatief volwassen ten opzichte van andere technologieën. De verkoopaantallen van SLA-machines van de belangrijkste leveranciers, zoals 3D Systems, Envisiontec en DWS, groeien niet meer of nemen zelfs af. Hoewel de nauwkeurigheid van de techniek relatief hoog is, kent SLA inmiddels concurrerende processen. Material Jetting (printen op substraten) Vloeibaar gemaakte polymeren of metalen worden door een of meerdere printkoppen (nozzles) laag voor laag op elkaar aangebracht. Deze technologie wordt toegepast voor het printen op substraten (2D-printen), maar kan ook worden gebruikt voor 3D-printen. Met meerdere printkoppen zijn op eenvoudige wijze producten uit meerdere materialen op te bouwen (multimateriaal) en kan de verwerkingssnelheid drastisch worden verhoogd. Material Jetting is een relatief nieuwe technologie, waaraan nog veel innovatie mogelijk is. Bekende leveranciers van systemen voor het 3D-printen op deze wijze zijn 3D Systems, Objet (na fusie: Stratasys) en Solidscape (onderdeel van Stratasys). De nauwkeurigheid is nog niet erg hoog, maar zal door verdere technologieontwikkeling sterk toenemen. Binder Jetting Binder Jetting lijkt op Material Jetting, met het verschil dat bij Binder Jetting het vloeibare materiaal met een nozzle laag voor laag in een bed van poedermateriaal wordt aangebracht. Doordat het

36


poederbed als supportstructuur fungeert, is er geen aanvullende support nodig. Deze hoeft dus ook niet achteraf verwijderd te worden. Bekende leveranciers zijn Z Corp (onderdeel van 3D Systems) en ExOne Company. Qua volwassenheid en mogelijke technologieontwikkeling komt dit proces overeen met Material Jetting. Er is dus nog veel ontwikkeling mogelijk en noodzakelijk voordat deze technologie op grote schaal kan worden toegepast. Sheet Lamination (Laminated Object Manufacturing, LOM) Bij Sheet Lamination, met als bekendste voorbeeld Laminated Object Manufacturing (LOM), worden bladen laag voor uitgesneden en vervolgens op elkaar samengevoegd. Dat kunnen lagen of folies zijn van papier, polymeren of metalen. Mcor is een bekende leverancier, van een printer die papier op elkaar legt en uitsnijdt. Sheet Lamination-machines worden nog beperkt verkocht. De technologieontwikkeling is tot nu tot beperkt geweest, maar er zijn diverse mogelijkheden voor verdere ontwikkelingen. Material Extrusion (FDM, 3DP) Bij Material Extrusion wordt een vast materiaal, meestal een draad, gesmolten. Met deze gesmolten substantie wordt via een nozzle laag op laag een product opgebouwd. De bekendste voorbeelden zijn Fused Deposition Modeling (FDM) en 3D-printing. De Material Extrusiontechnologie is het meest toegepast en zodoende zijn er veel van dergelijke machines beschikbaar in de sector. Er is van deze techniek dus een grote installed base. Met name 3D-printers (voor thuisgebruik), die relatief goedkoop zijn, hebben daarin een groot aandeel. Ook voor prototyping van diverse soorten applicaties wordt deze technologie gebruikt. Dat geldt in het bijzonder voor de consumentenmarkt, waar veel eindproducten met deze technologie worden geproduceerd: aan deze producten worden vaak alleen esthetische eisen gesteld. Wat betreft FDM is Stratasys de bekendste leverancier. 3D-printers worden ook aangeboden door andere grote leveranciers, zoals Objet (na fusie: Stratasys), Z Corp en Envision, maar voornamelijk door een heel grote groep kleine leveranciers die allemaal willen meedoen in de 3D-printmarkt. De technologie is relatief volwassen, maar kent nog veel opties voor verdere verbeteringen. Potentie bieden vooral ontwikkelingen in machines met meerdere printkoppen (nozzles) die tevens geschikt zijn voor meerdere materialen. Directed Energy Deposition Deze technologie lijkt op Material Extrusion. Het verschil is dat bij de nozzle een laser (beam) gepositioneerd is die vast materiaal (metaalpoeder) smelt. Deze relatief duurdere systemen worden nog in beperkte mate verkocht. Een bekende leverancier is Optomec. Dit proces heeft als voordeel dat een combinatie van materialen (multi-materiaal) vanuit de nozzle kan worden samengesmolten. Daarnaast stelt deze techniek de gebruiker in staat om op een bestaand product te printen (bijvoorbeeld ten behoeve van reparatiedoeleinden). De technologie is nog niet uitontwikkeld tot een volwassen niveau, maar zal in de komende tijd wel doorontwikkeld worden. Powder Bed Fusion Een laag poeder (polymeer, metaal of keramiek) wordt laag voor laag met een laser aan elkaar gesmolten, zodat het product wordt opgebouwd. Bekende technieken die hier onder vallen zijn Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM) en Electron Beam Melting (EBM). Met name SLS is een bekende en veel toegepaste technologie. SLM en EBM zijn sterk in ontwikkeling. Bekende leveranciers van SLS-machines zijn Stratasys en EOS. EOS is daarnaast marktleider in SLM-machines. EBM-machines worden primair door Arcam verkocht. De EBM-machines zijn


37

duurder, maar vaak sneller en minder nauwkeurig dan SLM-machines. SLS is de meest volwassen technologie, waarbij tevens de nauwkeurigheid relatief hoog is. Voor SLM en EBM is nog veel relevante technologieontwikkeling mogelijk om de procesperformance verder te verbeteren.

4.3 Processen: barrières en oplossingsrichtingen Het gebied van 3D-printen kent nog de nodige uitdagingen om nieuwe printprocessen mogelijk te maken of bestaande verder te verbeteren. Het in Figuur 18 van Paragraaf 4.1 getoonde overzicht van relevante onderwerpen wordt hieronder verder uitgewerkt. Snelheid De huidige snelheden van 3D-printprocessen moeten verder worden verhoogd om een hogere integrale productdoorloopsnelheid te bereiken. Hiermee gepaard gaat een lager kostprijsniveau. Lagere kosten en kortere doorlooptijden zijn noodzakelijk om het palet van geschikte applicaties verder te vergroten. Mogelijke oplossingsrichtingen: Nieuwe machines ontwikkelen met enerzijds een detail-printkop voor nauwkeurige details, en anderzijds een grovere printkop voor grote oppervlakken. Meerdere laserbronnen parallel per machine integreren. Hogere laserintensiteit gebruiken voor sneller materiaalproces. Stabiliteit en reproduceerbaarheid Het is absoluut noodzakelijk om producten met een hoge mate van voorspelbaarheid en reproduceerbaarheid te kunnen maken. De prestatie van de huidige processen blijkt niet altijd stabiel in dit opzicht. Vaak zijn er nog afwijkingen in de geometrie (nauwkeurigheden in maatvoering en vorm) en eigenschappen (materiaalzuiverheden) van het beoogde product. Uitdagingen: Het ontwikkelen van meer (fundamentele) kennis betreffende de interactie van materialen en processen en de invloed op de performance van het eindproduct. Het definiëren van de huidige toepasbaarheid van polymeren en keramiek, waardoor producten niet meer nakrimpen en minder snel verouderen. Het mogelijk maken van real-time terugkoppeling van de producteigenschappen tijdens het 3D-printen. Het delen van ‘open source’-proceskennis en verdere standaardisatie doorvoeren. Nauwkeurigheid De nu haalbare procesprestatie resulteert in nauwkeurigheden en toleranties die voor veel applicaties nog niet voldoende zijn. Er moet een balans worden gevonden tussen nauwkeurigheid en snelheid (kosten). Dit neemt niet weg dat de nauwkeurigheden verder moeten worden aangescherpt, om zodoende een groter palet aan producten te kunnen fabriceren. Uitdagingen: Het combineren van 3D-printen met plaatselijk conventionele nabewerking voor met name kritische oppervlakken. Onderzoek naar de effecten van afwijkingen in vormen plaatstoleranties zoals bij EBM en SLM parts. De ontwikkeling van high-power ultrasonic consolidation processen om metalen nauwkeuriger aan elkaar te smelten. De ontwikkeling van materialen en processen om atoom op atoom te stapelen (nano).

38


Meer gebruik maken van mechatronica-expertise voor precisie-equipment. Met femtodruppels prints opbouwen. Het toepassen van extruders met variabele diktes (FDM). Variabele laagdiktes in één build produceren (SLS). Diagnostiek De huidige eisen aan de productperformance worden vaak niet gehaald door een beperkte beschikbaarheid van de juiste diagnostiek. Uitdagingen: Meer feed-forward control met sensoriek toepassen tijdens de uitvoering van het proces, met directe feedback naar procesparameters (gebaseerd op fundamentele kennis). In-line (real-time), on-the-fly procesbesturingssystemen ontwikkelen (monitoring en feedback), voor bijvoorbeeld thermische effecten, laservermogen en (controle van) het oppervlak. Nieuwe sensoren ontwikkelen en toepassen die foutloos kunnen meten in de printkamer (build chamber). Controlesystemen ontwikkelen voor non-destructieve analyse, kwaliteitscontrole en monitoring van de reproduceerbaarheid, gekoppeld aan de optimalisatie van het te produceren onderdeel. Surface finishing De huidige processen resulteren vaak in een te grof oppervlak, dat niet voldoet aan de nauwkeurig-heidseisen, waardoor een extra stap surface finishing noodzakelijk wordt. Dit is een kostbare (tijdsintensieve) extra processtap, die geëlimineerd zou moeten worden. De huidige surface finishing-processen zijn kostenverhogend en worden meestal handmatig uitgevoerd, in de vorm van bijvoorbeeld frezen, beitsen, schuren of coaten. Uitdagingen: Nieuwe oppervlaktebehandelingen ontwikkelen voor verbetering van de printkwaliteit (2D- en 2,5D-printen). Ontwikkelen van nieuwe printbare oppervlaktestructuren die oneffenheden camoufleren. Oppervlakteruwheid verbeteren (nasmelten) voor SLM of op een andere manier in-line een oplossing ontwikkelen. Post-processing In het verlengde van surface finishing ligt het zogeheten post-processing, waarbij aanwezige onnauwkeurigheden aan het product moeten worden gecorrigeerd, niet alleen aan het oppervlak maar ook aan de vorm. Mogelijke oplossingsrichtingen: Nauwkeuriger printen (met veel minder spanning in het materiaal), hetgeen nabewerkingen zal elimineren. Integrale geautomatiseerde oplossing voor nabewerken (bijvoorbeeld met triltrommels). Minder supportstructuren gebruiken en wellicht zonder support kunnen produceren, of de support gemakkelijk kunnen verwijderen. Automatisering van het schoonmaken (blowing) van het product, een oppervlaktekwaliteitscheck en daarna het aanbrengen van verflagen. Building space De huidige building space van de bestaande processen is niet toereikend voor grotere afmetingen van de te printen onderdelen. Een grotere building space kan worden benut om een enkel groter onderdeel te printen van bijvoorbeeld enkele kubieke meters inhoud, of om meerdere producten


39

parallel/sequentieel te printen binnen dezelfde building space. Dit leidt tot lagere kosten en grotere homogeniteit in de productkwaliteit. Mogelijke oplossingen: Machine ontwikkelen met zeer grote building space voor grote onderdelen en bijvoorbeeld binnen een grote bouwruimte meerdere printkoppen/laserspots simultaan gebruiken. Van batch- naar flowproces gaan om grotere producten te maken, met als uitdaging het behoud van snelheid van het proces. Automatisering Door (meer) automatisering van het integrale ketenproces worden minder handmatige activiteiten (met name voor post-processing-activiteiten) vereist, waardoor de kwaliteit toeneemt en de kosten en doorlooptijd afnemen. Ook de reproduceerbaarheid en voorspelbaarheid nemen toe. Mogelijke oplossing: Leren van beschikbare automatisering voor andere productietechnieken, zoals in semicon, automotive en materiaalproductie. Hybride processen Het wordt steeds belangrijker om functies in producten te integreren. Dat kan met name door het toepassen van hybride maakprocessen, waarbij verschillende geprinte onderdelen tot de gewenste samenstelling kunnen worden vervaardigd. Mogelijke oplossing: Ontwikkelen van nieuwe hybride processen op basis van bestaande pick & place-technologie in combinatie met assemblageprocessen uit de elektronica- en halfgeleiderindustrie. Hierbij moeten materiaalkennis en de ontwikkeling richting hybride toepasbaarheid verder worden onderzocht.

4.4 Materialen Er kunnen steeds meer materialen worden geprint, met verschillende processen. Tabel 1 geeft een overzicht (in Bijlage 4 zijn de specifieke materialen in detail aangegeven).

40

Polymeren (thermoharders)

Epoxy, acrylaat

Polymeren (thermoplastisch)

PA, ABS, PPSF

Metalen

Staal, titanium, kobalt, legeringen

Pulp

Papier

Keramiek (industrieel)

Alumina, zirconia, siliconen

Keramiek (structureel)

Cement, zand


Sheet Lamination (LOM)

Directed Energy Deposition

Material Extrusion (FDM)

Powder Bed Fusion (SLS, SLM)

Binder Jetting

Metal Jetting

Voorbeelden van materialen

Vat Photo Polymerisation (SLA)

Tabel 1 - Matrix materialen en technieken (Bron: TNO, 2013).

4.5 Materialen: barrières en oplossingsrichtingen Het uitgangspunt bij 3D-printen blijft de interactie tussen materiaalsoorten en dus de specifieke materiaaleigenschappen en de daarbij te gebruiken processen. Om de vrijheid in 3D-printen verder te kunnen vergroten, is er behoefte aan een grotere variatie aan materialen, meer kleuren in materialen en het gebruik van meerdere soorten materialen in een enkel product. Daar horen onderstaande uitdagingen bij. Meer materialen De huidige beschikbare materialen genereren niet altijd de benodigde performance van het product, zoals de specifieke producteigenschappen, de oppervlaktegesteldheid, de nauwkeurigheden en bijvoorbeeld de sterkte en stijfheid van de constructie. Daarnaast is er het streven naar significant goedkopere materialen. Uitdagingen: Bestaande materialen doorontwikkelen (modificaties) om reproduceerbaarheid en specificaties van de materialen te verbeteren (nieuwe materialen zijn vaak nog te kostbaar). Polymeren doorontwikkelen, onder meer acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) voor meer processen, en typen polyamide (PA) en polyethyleen (PE) voor 3D-processen geschikt maken. Ontwikkelen van een polymeer met een goede mechanische belastbaarheid (eventueel door middel van glasvulling) en van composietmaterialen. Metalen: verder ontwikkelen van breuk- en scheurvrije nikkellegeringen, titanium-aluminium legeringen en koper-performance verbeteren in combinatie met het proces. Tevens meer metaallegeringen ontwikkelen die voldoen aan de strenge eisen van aerospace en automotive, zoals HDT (hogere elongatie). Nanomaterialen: verder onderzoeken op toepasbaarheid voor 3D-printen. Biomedische materialen verder ontwikkelen. Bijvoorbeeld porositeit als eigenschap gebruiken en composiet-biomateriaalcombinaties verder ontwikkelen. Keramische materialen: verder ontwikkelen van onder meer siliciumcarbide, zirkonium en aluminiumoxide. Hybride materialen en onderlinge combineerbaarheid ontwikkelen. Duurzame materialen door betere recyclebaarheid (denk aan biopolymeren) en niet-toxisch materiaal. Meer kleuren De huidige beschikbare variatie aan materiaalkleuren is niet toereikend voor alle mogelijke productopties en voldoet dus niet aan klantspecifieke eisen, of deze eisen zijn alleen te realiseren in combinatie met (dure) nabehandelingen. Uitdagingen: Meer onderzoek naar oppervlaktebehandelingen (in kleur). Onderzoek naar het kleuren van bestaande uitgangsmaterialen. Verschillende kleuren door elkaar in één build (SLS/SLM). Multi-materiaalprocessing Verschillende materialen simultaan processen geeft nieuwe mogelijkheden in productspecificaties. Momenteel is er een beperkt aantal hybride multi-materiaalmogelijkheden beschikbaar. Deze zijn sterk afhankelijk van de samen te stellen processen. Verschillende materialen gecombineerd met verschillende processen geven de nodige uitdagingen om multi-materiaalprocessing op het juiste kwaliteitsniveau te krijgen:


41

Algemeen een beter (fundamenteel) begrip krijgen van de voorspelbaarheid van de performance van gecombineerde materialen in combinatie met het proces, door kennis van microstructuurevolutie (materiaalgedrag) en van materiaaleigenschappen tijdens het processen. Simpele en effectieve hardware en software om multi-materiaal te gebruiken (bijvoorbeeld SLS met multi-materiaalpoeders). Ontwikkeling van materialen en processen om atoom op atoom te stapelen (nano). Inzetten op Bio-AM (BAM) processen om bijvoorbeeld scaffolds en cellen te printen voor in het lichaam. Ontwikkelen van ‘customized heat treatment’ met variabele temperaturen die afhankelijk zijn van materialen en producteisen (met name voor metalen). Metalen coating in-line aanbrengen. Multi-materiaaljetting in metaal. FDM in metaal. Organisatorisch: ‘open source’-beschikbaarheid van materiaalprocessing. Hergebruik van (support)materiaal.

4.6 Design: toepassingsgebied De scope voor 3D-geprinte componenten en applicaties wordt bepaald door zowel de technologische uitvoeringsmogelijkheden als de economische haalbaarheid; zie Figuur 20. Hierdoor ligt het toepassingsgebied voor 3D-printen met name op de lagere aantallen in combinatie met hogere productcomplexiteit en een grote mix aan productvariëteit. De lagere aantallen worden met name bepaald door de economische afweging om vanaf een zeker aantal te reproduceren producten specifieke tools en mallen te ontwikkelen en te gebruiken in het productieproces. Complexe applicaties kunnen ook in hogere volumes uitstekend concurrerend worden gefabriceerd, in het bijzonder wanneer het ontwerp met conventionele processen niet realiseerbaar is.

Laag productievolume

Hoge productcomplexiteit

Grote productvariatie

Figuur 20 - Scope van 3D-printen.

Met name op het gebied van hogere complexiteit moeten geschikte ontwerptools worden ontwikkeld, ook met het oog op de toenemende productvariatie. Er is behoefte aan nieuwe ontwerpregels met dito simulatiemogelijkheden en een directe koppeling met fabricagesoftware.

42


4.7 Design: barrières en oplossingsrichtingen Designtools Ontwikkeling van de juiste designtools maakt het uiteindelijk mogelijk om een optimaal design te realiseren. Dit vergt een exacte afstemming van de interactie tussen materiaalsoorten en dus de materiaaleigenschappen, de processpecificaties en de designtools, zodanig dat voorspelbaar en reproduceerbaar een product kan worden vervaardigd. Uitdagingen: Topologie-optimalisatie voor mechanische, thermische en dynamische eigenschappen, specifiek voor complexe componenten met hoge eisen. Designregels voor het verwijderen van supportmateriaal, met name in metaalproducten. Knowledge-based tools voor design van features en eigenschappen (hitte-uitwisseling, interne koeling). Ecologische prestatie moet eenvoudig uit te rekenen zijn: LCA (Life Cycle Analysis). 3D-printing-ontwerpregels of -richtlijnen voor verschillende industrieën (medisch, automotive, aerospace). Organisatorisch: best practices voor ontwerpregels breder verspreiden (open source), onder meer over hoe benefits te behalen zijn op eigenschappen als lichtgewicht, vormvrijheid, efficiënte koeling en holle delen met sterktestructuren. Simulatie Door het simuleren van de werking van de applicatie in ontwikkeling kan een optimaal design worden gemaakt. Hierbij moeten zowel functionele als kostenparameters worden betrokken. Uitdagingen: Simulatie van het 3D-printproces geeft inzicht in thermische spanningen in het product, waarbij mogelijk met automatisch finetunen van het design de kwaliteit kan worden geoptimaliseerd. Simulatie van het 3D-printproces voorkomt mislukte producten (spanningen) en daardoor worden de uiteindelijke kosten lager. Software De huidige tools vereisen veel aandacht en inzet van de ontwikkelaars en daardoor ontstaan hoge kosten in het aanlooptraject. Het vereenvoudigen en derhalve ook functioneel uitbreiden van de ontwikkelsoftware levert tijdwinst, minder afval en dus lagere kosten op. Uitdagingen: Adoptie van AMF-standaard in plaats van STL als bestandstype. FEM optimaliseren voor 3D-printen. CAD-software is nu te beperkt om complexe multi-materiaalstructuren te modelleren. Process-structure-property-relaties in CAD/CAE/CAM (modellering van relaties tussen procesvariabelen, materiaalsamenstelling en microstructuren, geometrische constructies en effectieve mechanische eigenschappen). Softwaretool om maakbaarheid en printstrategie te optimaliseren. Automatisering Wanneer een product nagemaakt of ontwikkeld wordt, vereist dit specifieke kennis en dus veel engineeringsuren tegen hoge kosten. Daarnaast is de toegankelijkheid van 3D-printsystemen en ontwerptools voor ontwikkelaars nog matig. Een mogelijke oplossing is om tools beschikbaar te stellen (online) die de consument en de ontwikkelaar in staat stellen met minimale effort eigen ontwerpen te genereren.


43

4.8 Barrières slechten om adoptie 3D-printen te versnellen Naast technologische uitdagingen op het gebied van materiaalontwikkeling, procesontwikkeling en de nieuwe geavanceerde designtools, zijn er verschillende integrale barrières aan te wijzen van niet-technologische aard. Hier liggen uitdagingen om het invoeringsproces van 3D-printen verder te versnellen. Belangrijke niet-technologische uitdagingen zijn in Figuur 21 aangegeven.

Materialen

Processen

Design

Kosten

Standaarden & Integratie

Businessmodellen

Educatie

Figuur 21 - Overzicht van niet-technologische uitdagingen.

Kosten De algehele ketenkosten worden met name veroorzaakt door de huidige kosten voor de materialen en processen die nog lang niet tot een volwassen niveau zijn doorontwikkeld. De huidige veelvuldig toegepaste materialen zijn met name gebaseerd op kunststoffen. Deze groep materialen heeft een acceptabel kostprijsniveau bereikt, maar zal daarin zeker nog een slag moeten en kunnen maken. Nieuwe printbare materiaalsoorten zoals metalen, keramieken, polymeren en biomaterialen zullen vooralsnog in kosten moeten dalen, om daarmee economisch relevante producten te kunnen maken. Uitdagingen: Productievolumes moeten worden verhoogd, waardoor materiaalkosten omlaag kunnen gaan. Hergebruikpercentage van restmateriaal verbeteren. Organisatorisch een open systeem opzetten van materiaalleveranciers die niet gekoppeld zijn aan een specifieke machine. Direct vanuit erts metaalpoeder winnen. Nieuwe materiaalontwikkelingen initiëren speciaal vanuit de toepasbaarheid van 3D-printen. Op het gebied van proceskosten zijn de nodige kostprijsreducties te realiseren. Momenteel is de factor arbeid nog veel te groot, met name door de noodzakelijke post-processing, surface finishing en kwaliteitscontrole. Er is behoefte om kosten te reduceren door snellere processen te realiseren en efficiëntere en beter op elkaar afgestemde automatisering. Uitdagingen: Simpelere, goedkopere machines ontwikkelen (redesign machines). Totale proces optimaliseren inclusief ontwerp en nabehandeling. Automatiseren van deelprocessen. Toepassen hybride procesflow (‘best of all worlds’ benutten).

44


Leren van andere productietechnieken (value added manufacturing) en daarbij het vereiste vakmanschap verminderen. Kortere set-uptijden realiseren. Aparte procesmachines ontwikkelen voor producten met lagere eisen, bijvoorbeeld ten aanzien van oppervlaktekwaliteit. Operators instrueren voor het totale proces (zoals nu de trend bij CNC). Focusseren op processen die materialen positioneren (FDM, 3D-printen). Processen zonder afvalmateriaal ontwikkelen. Daarnaast moet het tijdsverbruik in de keten verder worden beperkt en geoptimaliseerd. De huidige stand van zaken vraagt om veel engineeringsuren (hoge kosten). Uitdagingen: Ontwikkelen van designtools. Ontwikkelen van de juiste simulatiesoftware. Standaarden & Integratie Zonder standaarden en ketenintegratie wordt er niet optimaal op een routinematige wijze geproduceerd. Dat leidt tot variaties in productprestatie en -kwaliteit. Zonder standaardisatie zijn veel organisaties zelf het wiel aan het uitvinden, waardoor ze onnodig veel kosten maken om een acceptabel kwaliteitsniveau te realiseren. Uitdagingen: Standaardisatie is gewenst (VDI, ASTM, ISO zijn al begonnen) voor met name product-, proces- en materiaalcertificatie en processtandaarden (machinekalibratie, closed-loop procesbesturing, monitoring en feedback). Specifieke certificatie van materialen is gewenst, in analogie met de FDA-certificering (voeding en medicijnen). Ontwikkelen van een Total Quality Management systeem (vanuit ontwikkelde standaarden) om kwaliteit in de hele keten te meten en bij te sturen. Ontwikkeling van database om materialen voor 3D-printen gemakkelijk te kunnen selecteren, inclusief de bijbehorende eigenschappen in combinatie met verschillende processen, veiligheid en milieu-impact. Businessmodellen Nieuwe businessmodellen (bijvoorbeeld ‘on demand, on location’-productie) moeten ontwikkeld en geïmplementeerd worden. Ook hier gaan nog de nodige investeringen aan vooraf. Uitdagingen: Ontwikkeling van cost modeling software om 3D-printen eenvoudig met andere productiemethoden te kunnen vergelijken (inclusief impact op de hele keten). Model om eenvoudig weer te geven wat de kansen voor 3D-printen zijn en de impact op de hele keten goed te analyseren. Educatie De kennis en ervaring van veel engineers is op het gebied van 3D-printen nog te beperkt. Daardoor worden ontwerpmogelijkheden niet ten volle benut. 3D-printen maakt nieuwe producten mogelijk die met conventionele productiemethoden niet gemaakt kunnen worden. Zo zijn complexe, samengestelde producten voortaan uit slechts één onderdeel te maken, denk aan het vervaardigen van complexe kanaaltjes voor vloeistof of lucht.


45

Uitdagingen: Integreren van ‘Design for 3D-printing’ in alle relevante MBO-, HBO- en universitaire studies. Verder ontwikkelen van trainingen voor engineers die al werkzaam zijn. Opzetten van demonstratie- en experimenteerruimten voor 3D-printen.

4.9 Potentiële projecten Figuur 22 geeft een overzicht van projecten die tijdens de workshop “Design, processen & materialen” (Berenschot, 8 maart 2013) zijn beoordeeld op de mate van kansrijkheid. Voor 22 productmarktcombinaties is een RRR-analyse (Rewards, Risks, Resources) gemaakt; zie ook Paragraaf 3.4.

4,5

11 9 3,5 17

3

Risks

14 13 22

19 15

20

12

2

2,5 18

21

1

6 16

8 10

7

4

5 1,5 2,5

3,5

4,5

Rewards

46

Projectbeschrijving

Opbrengsten/potentie

1

Simulatie van AM-proces voor inzicht in thermische spanningen. Mogelijk automatisch finetunen van design voor AM-processing.

Goedkoper en betere performance door software die taken van de engineer overneemt.

2

Integratie van 3D- en 2D-printprocessen (bijv. geleidende vlakken/sporen) in een 3D-object.

Meer toepassingen die grote marktpotentie hebben.

3

Nanomaterialen-onderzoek evalueren op AM-toepasbaarheid.

Verbeteren materiaal en daarmee performance eindproduct.

4

Softwaretool om maakbaarheid en printstrategie te optimaliseren.

Goedkoper en betere performance door software die taken engineer overneemt.

5

In het onderwijs kennis over 2D- en 3D-printen integreren.

Verbeteren kennis over printen, zodat meer toepassingen ontstaan.

6

Meer interactie en kennisuitwisseling tussen 3D-service- en ontwerpbureaus en de (print)industrie over de mogelijkheden van 3D-printen.


7

Best practices voor ontwerpregels (bijvoorbeeld verwijderen supportmateriaal) breder verspreiden.

Delen kennis om betere (performance) producten te realiseren en meer toepassingen.

8

Bestaande materialen doorontwikkelen om reproduceerbaarheid en specificaties te verbeteren.


9

Multi-material jetting in metaal.

Goedkoper en betere performance van eindproducten die uit machine komen.

10

Expertise per segment van product in transparante samenwerkingsvormen.


11

Direct poeder uit erts maken (incl. recycling).

Goedkopere materialen.

12

Topologie-optimalisatie voor mechanische, thermische en dynamische eigenschappen.

Goedkopere en betere performance door support voor engineer (complexe componenten).

13

Functievergroting vereist materiaaleigenschappen, zoals betere hechting, microcorrosie.

Ontwikkeling materialen voor verbetering performance (functionele onderdelen).

14 Nauwkeuriger printen (met veel minder spanning in het materiaal) Innovatie Zuid - Roadmap 3D-Printen elimineert nabewerkingen. 15

Materiaalkosten plus machinekosten concurrerend houden/maken voor nieuwe toepassingen.

Goedkopere (geen nabewerking) en betere performance (nauwkeuriger). Vraag naar lagere materiaal- en machinekosten.

supportmateriaal) breder verspreiden.

meer toepassingen.

8

Bestaande materialen doorontwikkelen om reproduceerbaarheid en specificaties te verbeteren.


9

Multi-material jetting in metaal.

Goedkoper en betere performance van eindproducten die uit machine komen.

10

Expertise per segment van product in transparante samenwerkingsvormen.


11

Direct poeder uit erts maken (incl. recycling).

Goedkopere materialen.

12

Topologie-optimalisatie voor mechanische, thermische en dynamische eigenschappen.

Goedkopere en betere performance door support voor engineer (complexe componenten).

13

Functievergroting vereist materiaaleigenschappen, zoals betere hechting, microcorrosie.

Ontwikkeling materialen voor verbetering performance (functionele onderdelen).

14

Nauwkeuriger printen (met veel minder spanning in het materiaal) elimineert nabewerkingen.

Goedkopere (geen nabewerking) en betere performance (nauwkeuriger).

15

Materiaalkosten plus machinekosten concurrerend houden/maken voor nieuwe toepassingen.

Vraag naar lagere materiaal- en machinekosten.

16

Totale proces optimaliseren: kwaliteit, snelheid, stabiliteit en standaarden (incl. ontwerp en nabehandeling).

Goedkoper en betere performance door integrale optimalisatie van het proces.

17

FDM of stereolithografie in metaal?

Meer toepassingen.

18

Machine met een detail-printkop voor nauwkeurige details, en grotere ‘grove’ kop voor grote oppervlakken.

Sneller, goedkoper en nauwkeurig printen in een machine.

19

Combinatie machine 3D + pick & place: componenten in hybride AM-product integreren tijdens proces.

Meer concurrerende toepassingen voor (complexe) producten.

20

AMT & connectivity (RF).

Meer concurrerende toepassingen voor (complexe) producten.

21

Andere disciplines (materiaalkunde, mechatronica, productieautomatisering) vanuit 3D-printperspectief.


22

Leren van beschikbare automatisering in andere productietechnieken.


Figuur 22 - Rewards, Risks en Resources, bepaald voor 22 mogelijke projecten rond design, processen & materialen (Berenschot, 2013).

In Bijlage 5 worden enkele geselecteerde projecten nader omschreven.

“

Additive Manufacturing van metalen componenten is voor ons als ontwikkelende en makende systeemtoeleverancier in de high-tech industrie een excellente aanvulling op onze merendeels abrasieve maaktechnologieën. Deze nieuwkomer is meer dan een evolutie. Het is een revolutie die tegelijkertijd ook geen verdringer is van de abrasieve technologieën, maar een zeer welkome aanvulling daarop. Het opent ook in het domein van product/systeemontwikkeling nieuwe ontwerpvrijheden.

Tegelijkertijd is het een technologie die nog verder naar volwassenheid moet groeien. Daarbij zijn cyclustijden en slimme integratie met bestaande abrasieve technologieën

“

key issue.

Eric Hezemans Managing director NTS Systems Development, NTS-Group


47

5

48

Ecosysteem

Innovatie Zuid--Roadmap Roadmap3D-Printen 3D-Printen Innovatie Zuid

5.1 Ecosystemen in de wereld 3D-printen is een opkomende technologie. Er is daarom momenteel nog geen expliciet ecosysteem aan te wijzen, zoals Silicon Valley dat wel is voor de halfgeleiderindustrie. Echter, er zijn wereldwijd sterk groeiende bedrijven en kennisinstellingen/universiteiten die zich bezighouden met 3D-printen. Per land zijn de bekendste spelers in kaart gebracht (zie Figuur 23).

Verenigde Staten

Europe

3D Systems (machines en services)

Groot-Brittannië

België

Duitsland

Loughborough University Rapid Manufacturing Consortium

Materialise (service)

EOS (machines)

LayerWise (service)

Envisiontec (machines)

University of Nottingham Institute for Materials Technology

Melotte (service)

Evonik (materiaal)

Sirris

Fraunhofer (ILT, IPA)

KU Leuven

DMRC

Stratasys (machines en services, Redeye) Z Corp (machines, overgenomen door 3D Systems) Solidscape (machines, overgenomen door Stratasys)

Cambridge (jetting)

IMEC

University of Leeds

Zweden

DSM Somos (materiaal en services)

Nederland

University of Louisville Rapid Prototyping Centre

FOC (applicaties)

Finland

TNO

Aalto University

Georgia Tech Rapid Prototyping and Manufacturing Institute

Shapeways (applicaties)

Arcam (machines)

5% Aantal machines Rest van de wereld

Michigan State University Rapid Prototyping Research laboratory Milwaukee School of Engineering Rapid Prototyping Centre

Aantal machines Europa Aantal machines VS

29%

40% 26% Aantal machines Azië

Legenda

Azië

Land

Israël

China

Japan

Bedrijven

Objet (machines, fusie met Stratasys)

Beijing Tiertime (machines)

ARRK (service)

Kennisinstellingen / universiteiten

Meerdere servicebedrijven

Figuur 23 - Overzicht van belangrijke spelers in de ontwikkeling van 3D-printen (Bron: Expertmeeting, Wohlers (2012), teamanalyse, aanpassing en bewerking Berenschot).


49

De Verenigde Staten zijn een dominante speler, met name vanuit het aansprekende potentieel aan bedrijven (zie Figuur 24). 3D Systems en Stratasys zijn de twee grootste OEM-bedrijven en ze groeien verder, met name door veel overnames te doen van onder meer service providers. Naast vooraanstaande bedrijven zijn er ook universiteiten en kennisinstituten met 3D-printen bezig, waardoor inmiddels een aansprekende patentportefeuille is opgebouwd. Europa kent één grote OEM’er, EOS. Daarnaast zijn er grote service providers, zoals Materialise. Europa is sterk vertegenwoordigd qua kennisniveau en beschikt wereldwijd over de meeste patenten, met name vanuit het Verenigd Koninkrijk en Duitsland, maar ook Frankrijk, België, Italië, Spanje en Portugal. Azië is sterk aan het groeien. Japan is van oudsher sterk in de (high-tech) maakindustrie, maar de groei is nu met name zichtbaar in China. Dat geldt voor zowel de machinebouwers als de service providers. India beschikt over een beperkt aantal printmachines, maar zal de komende tijd groei gaan vertonen, zeker in combinatie met de sterke ICT-positie. In Israël is het sterke bedrijf Objet (gefuseerd met Stratasys) gevestigd. Daarnaast is er gedegen kennisontwikkeling en startende industrie in Zuid-Afrika, Australië, Nieuw-Zeeland en Brazilië. 12,9% - Other 1,3% - Russia 1,5% - Taiwan 8,6% - China 2,2% - Korea 10,2% - Japan 1,4% - Spain

38,3% - United States (U.S.) 1,3% - Turkey 1,9% - Canada 9,3% - Germany 3,0% - France 4,4% - UK 3,9% - Italy

Figuur 24 - Aandeel van landen in de 3D-printbusiness (Bron: Wohlers).

5.2 (Zuid-)Nederland Figuur 25 bevat een SWOT-analyse van het ecosysteem (Zuid-)Nederland. Dat betreft NoordBrabant, Zeeland en Limburg, maar ook aanpalende gebieden in Nederland richting de Technische Universiteit Delft en de omgeving van Universiteit Twente. Duitsland (Aken) en België (Leuven) behoeven speciale aandacht. Met name in de samenwerking met deze ecosystemen worden er meer kansen voor de sector gecreëerd.

50


Sterktes

Kansen

S terke wereldwijde positie in meerdere maaktechnologieën, machinebouw en design (mechatronica, optica, lithografie, printing en embedded software).

ansen voor toeleverketen aan markten in de regio: K machineen apparatenbouw, medisch, electronics, automotive, aerospace, consumenten (lifestyle & fashion).

S terk high-tech cluster in Zuid-Nederland, zowel OEM’ers als toeleverketen.

eel sterke potentiële eindgebruikers in high-tech V sector/Brainport Industries (Océ, ASML, Philips, VDL, FEI, Stork (SPG)).

eschikbaarheid van (gezamenlijke) B 3D-metaalprint-faciliteiten en samenwerking van high-tech toeleverketen rond faciliteiten. Aanwezigheid van materiaalkennis (DSM, TenCate). reatieve industrie, zowel rond Eindhoven als in C Amsterdam, Arnhem en Utrecht. ennisinstellingen zoals TNO, TU/e, Fontys en K Holst Centre, en ook samenwerking met Duitsland en België.

S tart van OEM-initiatieven voor geïntegreerde industriële 3D-metaalprintsystemen gebaseerd op aanwezige kennis en kunde in ecosysteem. ansen op langere termijn in andere sectoren waar K Nederland sterk is: offshore, energie, procesindustrie, food. S amenwerking tussen (top)sectoren, verbinding met ecosystemen in België en Duitsland.

anwezigheid van productontwikkelaars in A luchtvaart, automotive, machinebouw, medische devices.

Zwaktes eperkte toeleverketen, zowel voor design en B engineering als van parts-leveranciers en productiebedrijven, softwareleveranciers en consultancy. og slechts beperkte OEM-capaciteit in Nederland N aanwezig. eperkte aandacht voor 3D-printen in onderzoek B en onderwijs aan universiteiten (TU’s). S amenwerking op Europees niveau rond 3D-printen is nog erg beperkt.

Bedreigingen e lage investeringssnelheid in nieuwe 3D-printT technologie en daardoor achterstandspositie oplopen ten opzichte van de concurrentie. ntwikkelingen in VS en Azië gaan sneller en O worden financieel beter ondersteund; dit geldt ook voor preventieve overnames door monopolistische spelers. uidige achterstand ten opzichte van buitenlandse H ecosystemen in marktomvang en aantallen bedrijven.

Figuur 25 - Samenvatting van de SWOT-analyse voor het ecosysteem (Zuid-)Nederland.

“

Additive Manufacturing van functionele metaaldelen voor toepassingen in de high-tech industrie zal substantieel groeien wanneer ‘Design for AM’ samenkomt

met verbeterde en geïntegreerde industriële 3D-printing equipment. Brainport Industries, het AddLab-partnership en Additive Industries bundelen hun krachten

“

om de nieuwe hot spot voor industriële 3D-metaalprinting te creëren.

Daan A.J. Kersten CEO, Additive Industries


51

6

52

Printen op substraten

Innovatie Zuid--Roadmap Roadmap3D-Printen 3D-Printen Innovatie Zuid

6.1 Inleiding Het printen van materialen op substraten heet ook wel 2D- of 2,5D-printen. Hierbij wordt geen 3D-model geproduceerd, maar worden één of meerdere lagen op een substraat (meestal een plaat) aangebracht. Dit gebeurt met nauwkeurig gepositioneerde nozzles in een printkop die zeer precies (vloeibare) lagen kunnen positioneren (jetten). Deze technologie, die is ontwikkeld om inkt te jetten (principe: inkjetprinters), kan voor steeds meer materialen worden benut. Dit betreft in het bijzonder verschillende soorten metalen, maar ook andere printbare materialen zoals keramieken en alternatieve kunststoffen en biomaterialen. Voordelen van printen op substraten zijn: efficiënter gebruik van materialen (additief proces); contactloos materiaal positioneren zonder masker; tot op de micronschaal positioneerbaar (< 20 micron); vormvrijheid voor het printen van complexe patronen. Het printen op substraten kent vele applicaties, zoals semiconductors (back-end), PCB’s, displays, zonnepanelen, OLED’s, high-power LED’s, electrical interconnects (via’s) en andere componenten. Een bijzonder interessante mogelijke toepassing is het printen van elektronica (bijvoorbeeld chips, accu’s en PCB’s) en de bijbehorende integrale behuizing in een zelfde procesgang. Bij het Holst Centre komen de werelden van 3D-printen en het printen op substraten bij elkaar in onderzoeksprogramma’s.

6.2 Marktontwikkelingen, applicaties en eisen De markt voor grafisch printen (buiten de scope van deze roadmap) is zeer groot, circa $ 650 miljard. De markt voor het printen op substraten (binnen de scope van deze roadmap) is in potentie erg groot. Tabel 2 geeft weer wat de huidige marktgrootte is van enkele applicatiegebieden van het printen op substraten.

Tabel 2 - Overzicht van de huidige marktgrootte voor applicatiegebieden van printen op substraten (Bron: Océ, 2012).

Markt

Huidige marktomvang ($ miljard)

Displays (plat)

120

Printed Circuit Boards (PCB’s)

50

Electronics

30

Zonnepanelen

15

Displays (paper-like)

1

Ter vergelijking: grafisch printen (buiten scope van Industrial Printing)

600

Het decoratief printen op keramiek of textiel maar ook het printen van features op verpakkingen zijn mogelijke interessante applicaties. De focus ligt echter op het printen van electronics, PCB’s, OLED’s, RFID-chips, zonnepanelen en displays. Het printen van bijvoorbeeld ‘conductive tracks’ is


53

op dit moment al mogelijk onder atmosferische condities of met een masker. Ook het direct printen van metalen (gas of vloeibaar) op substraten is een mogelijkheid. Applicaties met PCB’s, OLED’s en RFID-chips stellen hoge eisen aan de printnauwkeurigheid maar ook aan de productiebetrouwbaarheid en processnelheid. Die eisen zijn op dit moment nog buiten bereik, maar de realisatie ervan is binnen nu en vijf jaar wel te verwachten.

6.3 Technologieontwikkelingsrichtingen De belangrijkste technologieontwikkelingen voor het printen op substraten zijn onderstaand weergegeven. Deze zijn vermeld in de Roadmap Printing (2011) van de topsector HTSM. Sommige onderwerpen hebben synergie met de oplossingsrichtingen van Paragraaf 4.7. Complexe interactie tussen componenten en printsystemen De complexe interactie tussen de kerncomponenten van printsystemen wordt nog niet volledig begrepen. Fysische studies zijn noodzakelijk om deze interactie en het werkingsprincipe verder te onderzoeken. Aspecten die een bepalende rol spelen zijn de werking van kleine druppels, hogere jetting-frequentie, hogere nauwkeurigheid, aanpassing van druppelgrootte en -vorm, en het drogen, fixeren en curen op het substraat. De bijkomende effecten van variatie in de viscositeit en andere vloeistofparameters moeten in dit kader ook worden onderzocht. Nieuwe printkoppen Nieuwe printkoppen zijn nodig om kleinere druppels (van 10 naar 1 micrometer), met hogere frequentie (van kHz naar MHz), geschikt te maken voor meer materialen, met meer nozzles en de mogelijkheid om gelijktijdig te kunnen printen. Daarnaast zijn meer sensoren en intelligente control-principes noodzakelijk om de betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en printsnelheid verder te verbeteren. Printkoppen en functionele materialen Nieuwe printkoppen in combinatie met het gedrag van nieuwe functionele materialen kunnen specificaties zoals nauwkeurigheid, snelheid (en daarmee kosten), betrouwbaarheid en de hechtbaarheid aan het substraat verbeteren. Hierbij speelt de gehele procesweg, vanuit de nozzle, door de lucht naar het substraat, een rol. Er is behoefte aan fundamenteel begrip van depositie en drogen/fixeren van druppels en het gedrag van vloeistoffen op substraten, maar ook aan kennis van toepassingen. Betrouwbaarheid en sensors & control Verdere ontwikkeling van intelligente sensoren en control-mechanismen op printkoppen, van de bijbehorende kennis van materiaalinteractie, en van geïntegreerde systemen is nodig om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het integrale proces te verbeteren. Nieuwe machines Daarnaast moeten er nieuwe machines worden ontwikkeld die nog sneller, nauwkeuriger, betrouwbaarder en met minder energie kunnen printen. Dat vergt ontwikkelingen in embedded systemen, mechatronica en sensors & control-systemen maar ook in de workflow-oplossingen. Verdere ontwikkeling van een platformarchitectuur helpt de ontwikkeltijd voor een dergelijke machinereeks te verkorten. Een nieuwe machine vereist zowel verbetering van bestaande componenten (pick & place, mechatronica) als de ontwikkeling van speciale (print)modules. De

54


totale architectuur voor industrial printers moet in combinatie met nieuwe designtools worden ontwikkeld, om te komen tot afstemming binnen de gehele ontwikkelketen.

6.4 Applicaties Figuur 26 toont mogelijke applicaties voor printen op substraten.

OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics Applications Consumer electronics

Outdoor recreational application and remote

Off-grid buildings facade and BIPV

Rooftop grid connected

Flexible segmented displays integrated into smart cards, price labels

Rollable colour displays, OLED TV

Electronic wallpaper

Rollable OLED TVs, telemedicine

Design lighting (prototype)

Decorative lighting (products)

Flexible lighting elements

General lighting technology

Printed RF-tags, primary batteries, printed memories for games

RFID for brand protection, advanced memories, transparent conductors for touch sensors

RFID and memories for logistics and smart applications, integrated batteries

RFID for item level, memories for multimedia, integrad batteries and omponents

Simple physical and chemical sensors, textile photodetectors, OPVs for battery charging

Sensor arrays, intelligent tickets, integrated displays, OPV in textiles

Complex smart packaging, fibre integrated sensors

Miniaturised diagnostics/ lab-on-a-chip

Short term 2011-2014

Medium term 2015-2019

Organic Photovoltaic

Flexible Display

OLED Lighting

Electronics & Components

Integrated Smart Systems

Existing until 2010

Long term 2020+

Figuur 26 - Mogelijke applicaties voor printen op substraten (Bron: Organic and Printed Electronics Association).


55

7

56

Roadmap voor (Zuid-)Nederland


7.1 Overzicht De informatie in deze roadmap geeft een goed overzicht van de huidige stand van zaken op het gebied van industrieel printen en van de verwachte (nabije) ontwikkelingen. Maar waar moet de regio (Zuid-)Nederland nu op inzetten? Bij elke keus die men maakt is het noodzakelijk een integrale aanpak zeker te stellen, met aandacht voor educatie, technologische ontwikkeling, vraagontwikkeling, verdienmodel en samenwerking in de keten; zie Figuur 27.

Educatie

Technologische ontwikkeling

Samenwerken in de keten

Verdienmodellen

Vraagontwikkeling

Figuur 27 - Integrale aanpak van de kansen die industrieel printen voor (Zuid-)Nederland biedt.

7.2 Educatie Industrial printing, en dan met name 3D-printen, vereist een fundamenteel andere aanpak van het design- en productieproces. Waar bij traditionele fabricagetechnieken continu rekening moet worden gehouden met de grenzen van de mogelijkheden, zijn de mogelijkheden bij 3D printen juist onbegrensd. Om die snel te kunnen benutten, is het van belang dat scholieren en studenten in een vroegtijdig stadium worden geënthousiasmeerd voor 3D-printing: eigen ontwerpen printen, de eigen fantasie de vrije loop laten en deze tastbaar vormgeven. Programma’s die de aanwezigheid en het gebruik van 3D-printers op (lagere en middelbare) scholen en universiteiten stimuleren, zijn gewenst. De aanwezigheid van voldoende financiële middelen voor de aanschaf dan wel het gebruik van printers is een eerste voorwaarde voor het ontwikkelen van een sterk cluster in (Zuid-)Nederland. Voorbeelden zoals ProtoSpace in Utrecht, waar de universiteit en hogeschool samenwerken met een zogeheten FabLab, reduceren de drempel voor studenten om te gaan experimenteren. Dit verdient brede navolging in (Zuid-)Nederland. Inmiddels is er een FabLab bij het Summa College in Eindhoven opgericht, uitgerust met diverse 3D-printers en beschikbaar voor productie en educatieve doeleinden. Daarnaast is het beschikbaar stellen van vrije printcapaciteit aan scholen en universiteiten een mes dat aan twee kanten snijdt. Immers, er staan op dit moment reeds veel verschillende 3D-printers bij bedrijven in (Zuid-)Nederland. Veel van deze printers worden niet 100% benut. Wanneer een redelijke vergoeding af te spreken is voor het gebruik van deze overcapaciteit door scholen en universiteiten, bespoedigt dit de educatieve ontwikkeling en vergroot het de rentabiliteit van de investering door de bedrijven.


57

7.3 Technologische ontwikkeling Industrial Printing staat aan het begin van een grote toekomst, maar behoeft nog de nodige technologische ontwikkeling om tot volle wasdom te komen. Op het gebeid van materiaalontwikkeling, procesontwikkeling en ontwerpen zijn doorbraken gewenst. Bij materialen is naast ontwikkeling op het gebied van polymeren, metalen en keramiek, vooral interesse in de ontwikkeling van hybride en biocompatibele materialen. Hybride materialen zijn voor zowel consumentengoederen als industriële toepassingen gewenst. Biocompatibele materialen zullen leiden tot doorbraken in de medische wereld. Procesontwikkeling is met name gewenst op het gebied van grotere bouwoppervlakken, post-processing, surface finishing en automatisering. Momenteel zijn 3D-geprinte onderdelen nog relatief klein, en behoeven ze de nodige menselijke behandeling voordat ze gebruiks- of verkoopgereed zijn. Om echt economisch rendabel te worden, zouden veel van die menselijke activiteiten geautomatiseerd moeten kunnen worden. Op het gebied van ontwerpen is met name de eenvoudigere omzetting van een design voor traditionele fabricage naar een design voor 3D-printen, en de ontwikkeling van ‘Design for 3D-printing’, van belang. Open innovatie en samenwerking versnelt de leercurve. Voorbeelden van samenwerkingsverbanden zijn Penrose (www.tno.nl, zoekterm: Penrose) en AddLab, een gezamenlijke AM-faciliteit van tien toeleveranciers, geïnitieerd door Brainport Industries en Additive Industries (www.additiveindustries.com). De kansrijkste technologiebieden voor samenwerking met TNO zijn hieronder weergegeven (zie Figuur 28). Aansluiten is voor nieuwkomers nog steeds mogelijk.

High Tech Parts & Spares

Embedded Electronics

Roadmap & Facility Mechatronics (Assy) Design Pre-processing Vat Polymerization Powder Bed Fusion Material Jetting Post-processing & Analysis

Technology Program

Common Ground

Application Program

Figuur 28 - Overzicht van kansrijke technologiegebieden (Bron: TNO, Penrose shared research program).

58


Human Related

Nieuwe, vergelijkbare initiatieven zijn echter noodzakelijk om het technologische cluster in (Zuid-) Nederland op het gewenste internationale niveau te brengen. De mogelijkheden die faciliterende organisaties als BOM, LIOF, Syntens, Economische Impuls Zeeland en Brainport Industries, de provincies en het rijk hebben, zouden nog scherper onder de aandacht van ondernemers en onderzoekers moeten worden gebracht. Een extra impuls voor een continue en creatieve oproep tot het gezamenlijk indienen van dicht bij de markt liggende initiatieven is gewenst.

7.4 Verdienmodellen Wanneer 2,5- en 3D-primting technieken robuuster en sneller zijn dan nu het geval is, komen alternatieve businessmodellen om de hoek kijken. Het ‘on demand, on location’ printen van onderdelen of additionele features wordt dan mogelijk. Op voorraad houden van onderdelen wordt overbodig. Samen met de mogelijkheden die online marktplaatsen bieden, opent dit de weg naar duurzame, economisch rendabele inzet van 3D-printing in de B2B-sector. Hybrid Wholesale (groothandel met mogelijkheden voor printing, lees productie), 3dPlaza en 3D Hubs zijn netwerkinitiatieven die op een alternatieve manier gebruik willen maken van de bestaande infrastructuur. Samenwerking tussen service providers in (Zuid-)Nederland zou moeten worden gestimuleerd om dergelijke initiatieven ook hier van de grond te krijgen en het gebruik van 3D-printing te bevorderen.

7.5 Vraagontwikkeling Zoals hierboven aangegeven, is het van belang de mogelijkheden van 3D-printing breed uit te meten om ervoor te zorgen dat er meerdere initiatieven in Zuid-Nederland ontstaan. Deze ‘druk van onderen’ (bottom-up) is van belang om de samenwerking tussen grote en kleine ondernemingen verder te intensiveren. Interessante applicatievelden liggen in de sectoren medisch en tandtechnisch, luchtvaart, automotive, defensie, consumentenproducten en high-tech machinebouw (inclusief tooling). In Bijlage 5 is een overzicht gegeven van projecten die gedurende de vervaardiging van deze roadmap naar voren zijn gekomen; daarbij is aangegeven welke partners deze initiatieven tot een kansrijke propositie zouden kunnen uitwerken. Wanneer enige financiële ondersteuning vanuit de regionaal beschikbare fondsen de start-up van deze initiatieven kan bespoedigen, brengt dit de ontwikkeling van een internationaal vooraanstaand cluster van 3D- en Industrial Printing zeker naderbij.

7.6 Samenwerking in de keten In het voorgaande is meermaals stilgestaan bij de noodzaak van een gecoördineerde aanpak van de initiatieven die nodig zijn om een vooraanstaande plaats te kunnen innemen in de wereld van 3D- en Industrial Printing. De introductie van 3D-printen op scholen en universiteiten, het stimuleren en ondersteunen van technologische ontwikkelingen, het aanjagen van de vraag ontwikkeling en het bieden van een vruchtbare bodem voor nieuwe businessmodellen, ... het moet tegelijkertijd worden aangepakt. Door open innovatie en actieve communicatie en informatieuitwisseling tussen de lopende en voorgenomen initiatieven kan ten volle de potentie worden benut die (Zuid-)Nederland heeft om een internationale hotspot voor 3D- en Industrial Printing te worden.


59

Het neemt niet weg dat de ecosystemen rondom ons eigen ecosysteem direct ingezet moeten worden om snelle bloei te kunnen bewerkstelligen. België en Duitsland beschikken op deelgebieden over een behoorlijke voorsprong. Deze ecosystemen zijn niet direct in te halen, laat staan dat we er direct concurrerend mee kunnen zijn. In (Zuid-)Nederland moeten we onze positie bepalen en sectoren kiezen waarin we onderscheidend en aanvullend kunnen zijn ten opzichte van België en Duitsland. Dat betreft applicatie-ontwikkeling, productiecentra, machinebouw (metalen, keramieken) en tooling en materiaalontwikkeling. Daarbij dienen we ons ook open te stellen voor nauwere samenwerking met onze buurlanden; in de nieuwe Europese programma’s zullen er zeker kansen liggen voor 3D-printconsortia.

7.7 Keuzes voor sectoren Wanneer een geïntegreerd programma voor het ontwikkelen van een internationale hotspot voor 3D- en industrial printing wordt opgesteld, is het verstandig expliciet rekening te houden met de markteisen. Het gaat erom dat ontwikkelingen ook daadwerkelijk doorstoten tot in de gebruikersmarkt, en dat de spelers in deze markten van meet af aan bij de ontwikkeling worden betrokken. Daarvoor is het van belang om aan te sluiten bij de behoeften die er in de specifieke markten spelen. Twee markten waarop veel kennis en kunde in de regio aanwezig is en waarin de marktacceptatie van 3D-printen binnen vijf jaar verwacht wordt, zijn electronics & electronic devices en machineen apparatenbouw. Daarnaast is de medische en tandtechnische markt sterk vertegenwoordigd in de regio. Marktacceptatie van 3D-geprinte producten wordt hier echter pas over een wat langere termijn verwacht vanwege de langdurige toestemmingsprocedures die in deze wereld gelden.

Samenwerkingsfondsen Marktacceptatie binnen vijf jaar

Business development-acties

Consumentenproducten Automotive

Electronics & electronic devices

Aerospace

Toepasbaarheid Additive Manufacturing

Machine- en apparatenbouw

Medical / Dental

Marktacceptatie over tien jaar Geen ondersteuning

Stimuleringsprogramma’s

Volgend

Leidend

Concurrentiepositie Figuur 29 - Concurrentiepositie van (Zuid-)Nederland.

60


Wat betreft automotive en aerospace is er in Nederland een sterke, goed georganiseerde toeleverketen, maar is de regio Zuid-Nederland niet leidend. De eindfabrikanten bevinden zich simpelweg niet in de regio. Datzelfde geldt voor consumentenproducten, waar momenteel de marktacceptatie van 3D-printen het hoogste is. Dit blijven echter wel interessante markten, ook voor de regio. Om de impact en introductie van 3D-printing in de kansrijkste sectoren verder aan te jagen, zou de creatieve industrie, samen met sterke eindgebruikers als Océ, ASML, Philips, FEI, Vanderlande, VDL, Stork en NXP, kunnen bijdragen aan het ontwikkelen van 3D-toepassingen. Ook helpt het als High Tech NL (vereniging met circa 140 bedrijven, waaronder veel OEM’ers) en Brainport Industries (de technologische toeleverketen met tachtig aangesloten bedrijven) structureel aandacht blijven besteden aan 3D-printing. Uiteraard moeten de designtools, materialen en maakprocessen ‘hand in hand’ beschikbaar komen. Schematisch zijn de kansrijke gebieden weergegeven in Figuur 29. Een actieprogramma dat voor een langere periode (drie à vijf jaar) kruisbestuiving en creatieve samenwerking in (Zuid-)Nederland bewerkstelligt, lijkt een noodzakelijke voorwaarde om een internationale voorloperspositie zeker te stellen.


61

Bijlage 1: Betrokkenen Projectteam Berenschot

Erik Teunissen

Berenschot

Onno Ponfoort

Berenschot

Wouter de Wolf

Berenschot

Linda van den Hurk

ML Business Development

Jeroen Langendam

Kernteam Brabantse Ontwikkelings Maatschappij

Pieter Meuwissen

Brabantse Ontwikkelings Maatschappij

Michel Weeda

Brainport Industries

John Blankendaal

Industriebank LIOF

Charles Mevis

Economische Impuls Zeeland

Rutger van der Male

Syntens

Pieter Hovens

TNO

Mark Vaes

TNO

Frits Feenstra

TNO

Bart van der Vorst

Externen

62

4Washing

Alain Kahn

Additive Industries

Jonas Wintermans

Additive Industries

Daan Kersten

DSM (NBD)

Ed Rousseau

Fontys Hogeschool

Jan Bernards

Formatec Ceramics

Michiel de Bruijcker

KMWE

Arno Gramsma

NTS-Group

Jaap Stulp

Philips Innovation Services

Bert Wouters

Ricoh Europe

Hans Snoeks

RM Center

René Groothedde

Sirris

Benjamin Denayer

TNO

Krista Polle

TNO

Marc Vaes

TU Delft

Fred van Keulen

Tyco Electronics

Jeroen Duis

VDL Enabling Technologies Group Eindhoven

Pierre van den Hurk

VDL Enabling Technologies Group Eindhoven

Harm Nelissen

Wärtsilä

André Janssen


Interviews Océ-Technologies

M. Slot

Mutracx

H.J. Zwiers

NTS-Group

E. Hezemans

NTS-Group

J. Stulp

DSM (NBD)

E. Rousseau


63

Bijlage 2: Begrippen en afkortingen 2D-printen Tweedimensionaal ofwel grafisch printen. 2,5D-printen 3D-printen op substraten, waarbij slechts een enkele laag/enkele lagen van een materiaal worden aangebracht. 3D

Driedimensionaal.

AM of AMT Additive Manufacturing (Technology): generieke benaming voor 3D-printen. AMF

Action Message Format, een bestandstype dat binair informatie overbrengt; bekende AMF-typen zijn ActionScript en XML.

ASTM American Society for Testing and Materials: Amerikaanse standaardisatieorganisatie. BAM

Bio-Additive Manufacturing: het laag voor laag aanbrengen van biologisch materiaal (cellen).

B2B

Business-to-Business: handelsverkeer tussen ondernemingen.

B2C

Business-to-Consumer: handelsverkeer tussen ondernemers en consumenten.

CAD

Computer-Aided Drafting/Design: software om digitaal te ontwerpen/ producttekeningen te maken.

CAE

Computer-Aided Engineering: integrale software om onder meer te tekenen (CAD), machines aan te sturen (CAM) en analyses uit te voeren.

CAGR Compounded Annual Growth Rate: een term voor de samengestelde jaarlijkse groei. CAM Computer-Aided Manufacturing: software om productiemachines te besturen. CNC Computer Numerical Control: geautomatiseerd verspanen (waaronder frezen). EBM Electron Beam Melting: AM-technologie waarbij een elektronenbundel in vacuüm gebruikt wordt om (metaal)poeder te smelten tot een vaste vorm. Met deze techniek wordt een grotere dichtheid behaald dan met SLS of SLM. FDA

Food and Drug Administration: orgaan van de Amerikaanse federale overheid dat de kwaliteit en veiligheid van voedsel, toevoegingen daaraan en medicijnen bewaakt. Ook bewaakt de FDA de kwaliteit en veiligheid van de behandeling van bloed, medische producten, toestellen met elektromagnetische straling en cosmetica.

FDM Fused Deposition Modeling: AM-technologie waarbij vast materiaal gesmolten wordt en met een nozzle laag voor laag een object wordt opgebouwd. FEM Finite Element Method, ofwel eindige-elementenmethode: een reken methode waarmee partiële differentiaalvergelijkingen en integraal vergelijkingen kunnen worden opgelost. Deze methode wordt onder meer gebruikt om sterkte-eigenschappen van constructies in combinatie met materialen te berekenen.

64


HTSM

High Tech Systemen en Materialen.

ISO

Internationale Organisatie voor Standaardisatie.

LCA

Life Cycle Analysis: een kwantificering van de milieu-impact over de gehele levensduur van een product (van productie tot recycling).

LOM

Laminated Object Manufacturing: AM-technologie waarbij volume ontstaat door laag voor laag uit te snijden en vervolgens op elkaar te leggen.

OEM’er Original Equipment Manufacturer: bedrijf dat producten levert ten behoeve van een merkleverancier. OLED

Organic Light Emitting Diode: een lichtbron op basis van een halfgeleider.

PCB

Printed Circuit Board (elektronica).

PMC Product-marktcombinatie. Rapid Prototyping Algemene benaming voor het snel materialiseren van een object door middel van AMT. RFID Radio-Frequency IDentification: technologie waarmee op afstand informatie kan worden uitgelezen en opgeslagen. SLA

Stereo Lithography Apparatus: AM-technologie waarbij een vloeibaar polymeer onder invloed van een laser laag voor laag wordt uitgehard.

SLM

Selective Laser Melting: AM-technologie waarbij met behulp van een laser laag na laag (metaal)poeder wordt gesmolten tot een vast product. Bij deze techniek wordt lasercusing gebruikt, waardoor met precisie wordt gesmolten met hogere energiën. De dichtheid van het eind product is hoger dan bij SLS.

SLS

Selective Laser Sintering: AM-technologie waarbij met behulp van een laser laag na laag (metaal)poeder wordt gesmolten tot een vast product (sinteren).

STL

Standard Tessellation Language. Dit is een bestandstype dat speciaal ontworpen is voor de stereolithografie.

SWOT-analyse Analyse van sterkten (Strengths), zwakten (Weaknesses), kansen (Opportunities) en bedreigingen (Threats). VDI

Virtual Disk Image: bestandstype van Virtual Box, een virtualisatie- softwaretool.


65

Bijlage 3: Literatuur en bronnen [1]

The Economist, “The third industrial revolution”, 12 april 2012.

[2] Gartner, “Gartners Key Trends to Watch in Gartner 2012 Emerging Technologies Hype Cycle”, 2012. [3] Wohlers Associates, “Additive manufacturing Roadmap for Australia”, maart 2011. [4] AM Platform, “Additive Manufacturing”, Strategic Research Agenda 2013. [5]

Frost & Sullivan, “Advances in Rapid Manufacturing – Technology Market Penetration and Roadmapping” (Technical Insights), november 2011.

[6] Additive Manufacturing / Rapid Manufacturing Platform, “The Exploitation of World Class Additive Manufacturing by the EU – A Future Vision for AM”, Strategic Research Agenda, 2011. [7]

Wohlers Report 2012, “Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry”, Annual Worldwide Progress Report.

[8] RapidTech, “US-Turkey Workshop on Rapid Technologies, A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead”, 2009. [9]

Institute for Defense Analyses, “Emerging Global Trends in Advanced Manufacturing”, IDA Paper P-4603, Log: H 11-001307.

[10] European Commission, “Factories of the future PPP”, Directorate-General for Research, Industrial Technologies, Unit G2 ‘New generation of products’, EUR 24282 EN, 2010. [11] Platform on Rapid Manufacturing, “Vision on 2020 for rapid manufacturing”, Vision paper, 2006. [12] Roadmap for Additive Manufacturing Workshop, “Bio-Additive Manufacturing”, Keynote presentation, National Science Foundation, Drexel University, 30 maart 2009. [13] Donald Lupo et al., “OE-A Roadmap for Organic and printed Electronics”, 2013. [14] ABN-AMRO, “Met Web-to-print workflow naar ‘echte’ functionaliteit”, W2P White paper, Visie op de industrie, sectorupdate 2013, april 2013. [15] ABN-AMRO, “Hype, haarlemmerolie of harde waardecreatie? Industriële co-creatie en 3D-printing”, 2012. [16] Egbert-Jan Sol en Arnold Stokking, “De toekomst van de industrie”, november 2012. [17] Roadmap Printing, “From the World of Print to the Printed World”, HTSM Roadmap, december 2011. [18] TNO, “Penrose: Shared Research Program Additive Manufacturing”, 2013. [19] Phil Reeves, “Additive Manufacturing and 3D printing”, Chemical Industry Digest, januari 2013. [20] Phil Reeves, “Putting 3D Printing into your value stream: opportunities for new business models”, Econolyst, oktober 2012. [21] Berenschot, “Kiezen en durven – Roadmap Nieuwe Businesskansen Modelmakerij”, april 2012. [22] McKinsey Global Institute, “Disruptive technologies: Advances that will transform life, business, and the global economy”, (one of those technologies is 3D printing).

66



67

Bijlage 4: Materialen per proces (Bron: TNO)

Powder Bed Fusion

Metals

Chemical abbreviations

Name

Laser based

Stainless Steel

X2CrNiMo17-12-3

316L, 17-4, 15-5

Maraging Steel

X3NiCoMoTi 18-9-5

Cobalt Chrome

CoCrMo

Titanium

Ti6Al4V

Pure Titanium

Ti

Grade 2

Nickel Alloys

NiCrFe

Inconel 625, 718,

ASTM F75

Hastelloy X

Electron Beam based

Aluminium

AlSi10Mg

Gold

Au

Titanium

Ti6Al4V

Grade 5

Titanium

Ti6Al4V ELI

Grade 23

Titanium

Ti

Grade 2

Cobalt Chrome

CoCr

ASTM F75

Titanium Aluminide

TiAl

Powder Bed Fusion

Polymer

Filler

Laser based

PolyAmide

-

Chemical abbreviations PA12

Name PA 2200

Carbon

Carbonmide

Glass

PA 3200 GF

Aluminium

Alumide

Flame Retardant

PA 2210 FR

PolyAmide

-

PA11

PA1101

Polyetheramide-

-

TPE

Primepart ST

Block-Copolymer (PEBA 2301)

Au

PolyStyrene

-

PS

PrimeCast 101

Polyaryletherketone /

-

PAEK / PEEK

EOS PEEK HP3

Polypropylene

-

PP

SinterPlast

PolyAmide

-

PA

Polyetheretherketone Thermal based (sintermask) Blueprinter

PolyStyrene

PS

EOS, 3DSystems, CRP Windform, Arkema, Exceltec and MicroFoil all have similar materials. Mainly based on Nylon PA12.

68


Powder Bed Fusion

Sand

Binder

Name

Laser based

Aluminium Silicate Sand

Phenolic Resin coated

Ceramics 5.2

Quartz Sand

Phenolic Resin coated

Quartz 4.2 / 5.7

Material Extrusion

Polymer

Chemical abbreviations

Acrylonitrile Butadiene Styrene

ABS

PolyCarbonate

PC

Acrylonitrile Butadiene Styrene /

ABS / PC Blend

PolyCarbonate

Vat Photo Polymerisation

Ultem

PEI

Polyphenylsulfone

PPSU / PPSF

Poly Lactic Acid

PLA

PolyAmide

PA

Material

Filler

Acrylates

Unfilled Ceramic Filled Wax Filled

Ceramics / Acrylate Blend

Aluminium Oxide Zirconia Oxide Hydroxylapatite

Material Jetting

Sheet Lamination

Material

Filler

Acrylates

Unfilled

Wax

-

Material

Chemical composition

Company involved

Paper

Paper

MCor

Polymer

PVC

Solido

Metal

Aluminium

FabriSonic

Stainless Steel Copper Titanium Ceramics

Alumina

CamLem

Silicon Nitride


69

Directed Energy Deposition

Process

Materials

Company involved

Laser Cladding

Powder Based

Fe-base, Co-base, Ni-base,

Irepa

Al-base Fe-base, Co-base, Ni-Base,

POM

Cermets, Ti-base

Wire Based Electron Beam

316L, Inconel625, Ti-6Al-4V

OptoMec / Lens

Ti

Norsk Titanium

Fe-base, Ni-Base

Sciaky

Plasma Transferred Arc

Binder Jetting

70


Deloro Stellite

Material

Chemical composition

Company involved

Polymer

PMMA

VoxelJet

Metal

Stainless Steel

Digital Metals

316LL / Bronze

ExOne

420SS / Bronze

ExOne

Sand

Casting Sand

ExOne / VoxelJet

Miscellaneous

Gipsum

3D Systems

Starch

3D Systems

Glass

ExOne

Ceramics

ExOne


71

Bijlage 5: Uitwerking van projecten Workshop Applicaties & materialen

72

Naam project

Manifolds (meerdere markten)

Onderwerp

Complexe kanaaldelen met moeilijke functionaliteit in een kleine ruimte/volume.

Barrières (eisen die niet worden gehaald) / onderwerpen om aan te werken

• Vinden van de juiste marktsegmenten, met name lage volumes (high-tech, aerospace). • Kosten omlaag van machining, materiaal, post-processing. • Performance-eisen niet altijd behaald/onbekend; langetermijn-reliability, nauwkeurigheid. • Design for 3D nog beperkt ontwikkeld bij huidige ontwerpers; daardoor worden mogelijk-

Mogelijke partners

• Additive Industries • Grote (high-tech) bedrijven (applicatie) • Opleidingen van huidige en toekomstige ontwerpers bij opleidingsinstituten en kenniscentra

Naam project

Hybride devices, 3D-proces + assembly-processen (meerdere markten)

Onderwerp

Plaatsen van componenten tijdens 3D-printproces.


• Additioneel component moet geschikt zijn om in printproces meegenomen te worden

Mogelijke partners

• IC design company • IC manufacturer • Industrial printing company (OEM’er) • Packaging machinebouwer • TNO

Naam project

Integratie functies in één component (meerdere markten)

Onderwerp

Functionele componenten printen (hybride) om meerdere functies te integreren.


• Mogelijke applicaties: system-on-a-chip (low power en low cost), LED-package, LED + lens

Mogelijke partners

• Materiaalleveranciers (DSM) • Industrial printerfabrikant • Philips Research • TNO


heden nog niet benut.

(temperatuur).

• Interessante mogelijke applicaties: (system-on-a-)chip, batterijloze devices, dure IC’s. • Pick & place van componenten, zeer nauwkeurig en bij voorkeur in-line.

printen, LED-interface printen en separate lens monteren (hybride).

• Issues printen van de lens: oplossend vermogen van de printer en transparantie van materiaal, thermische stabiliteit van het lensmateriaal.

Naam project

High-tech componenten (lichtgewicht, nauwkeurig, temperatuurbestendig)

Onderwerp

3D-printen van high-tech componenten.


• Real-life case uit high-tech toeleverketen: op basis van metaal of keramiek. • Werken aan materiaalkennis, materiaaleigenschappen voorspellen (na processing): spanningen, beschadigingen, microstructuren.

• Werken aan machine: afmetingen, snelheid, nauwkeurigheid, oppervlaktestructuur, kosten omlaag van post-processing door interne nabewerking.

• Werken aan design: multidisciplinair, maakbaarheid, effect op materiaaleigenschappen van processing, 3D vrije vorm; daarnaast aan ontwerpregels, gereedschappen (optimalisatie topologie), computational engineering. Mogelijke partners

• TU Delft: computational engineering • A SML/FEI: als eindgebruiker • Brainport Industries toeleveranciers: design, (pre- en post-)processing (KMWE, NTS, Frencken) • TU/e, RuG: materiaalkennis • Materiaalleveranciers • Additive Industries: OEM’er van geïntegreerde Additive Manufacturing productielijnen

Naam project

Smart packaging (food/medisch, en andere toepassingsgebieden)

Onderwerp

Printen van slimme onderdelen op een substraat of totale verpakking.


• Nieuwe toepassingen: unieke partnumbering identification, ontwikkelen van sensoriek die je

Mogelijke partners

• Preferred suppliers: retailers, Unilever, McDonald’s, farmabedrijven • OEM’ers, machinebouwers • Materiaalleveranciers • Elektronica-ontwikkelbedrijf • Onderzoeksinstelling

kan printen.

• Issues: geschikte materialen, integratie in het productieproces van ‘smart’ functie en low cost, standaarden ontwikkelen.


73

Naam project

Dental (bruggen, kronen, gebitsprotheses)

Onderwerp

-


• Materialen: polymeren, biocompatibiliteit nog niet voldoende (niet meer dan 24 uur in de mond). • Metalen (Co, Cr) wel voorhanden en geïntroduceerd; keramiekoplossing alleen beschikbaar voor onderstructuren, niet voor esthetische delen (kronen bijvoorbeeld).

• Voor esthetische delen eigenlijk multimaterial nodig (tanden zijn niet egaal van kleur), hier is nog geen goede oplossing voor; geen goed multimaterial proces beschikbaar.

• Voor keramiek esthetisch geen goed proces beschikbaar (zirconia nog niet voldoende ontwikkeld).

• Intra-oraal scanning nog lang niet volledig geïntroduceerd in de industrie. Pas als je ook het scannen gebruikt kun je de AM-techniek optimaal inzetten.

• Voor printen van volledig kunstgebit is additionele software nodig, anders moet je nog steeds veel handwerk doen (uitlijnen van bovenkaak op onderkaak kan niet in software tot op heden).

• Businessmodel barrières: grote spelers verdienen nog veel geld aan freesblokjes, geen harde noodzaak. Onzekerheid hoe de tandtechniek van de toekomst eruit zal zien (lokale productie versus centrale productie, tandarts en lab geïntegreerd).

• Businessmodel barrières: investeringsniveau van tandtechnische labs is laag; waar ligt de exacte benefit voor de eindklant (= patiënt) en welke oplossing heb je dus nodig (bijv. dichtbij huis produceren, versus langere doorlooptijd)?

• Doorbraakprojecten: op regionaal/nationaal niveau een samenwerking krijgen over de keten om het integraal aan te pakken. Het uitwerken van realistische businesscases/modellen moet hier een onderdeel van zijn.

• Doorbraken: multi-materiaal-printen (cross-industrie, niet alleen dentaal), keramiekproces (cross-industrie met technische toepassing), biocompatibiliteit van polymeren (samen met andere medische tak, of aanpassen van bestaande tandheelkundige materialen). Mogelijke partners

• • • • • •

ACTA Enkele grotere labs TNO Materialenbedrijf (uit de tandheelkunde, biocompatibel) Softwarebedrijf Machinebouwer met netwerk in die industrie

Workshop Design, processen & materialen

74

Naam project

Software en topologie

Onderwerp

Brug slaan tussen ontwikkelen van software en de eindgebruiker.


• Hoe zorgen we ervoor dat de simulatiesoftware goed gekalibreerd is voor een gegeven

Mogelijke partners

• S oftware-ontwikkelbedrijf • 3D-printen service supplier • Eindgebruikers


machine? Oplossing: toegankelijkheid tot kennis en kunde van equipmentleveranciers.

• Beschikbaarheid van testfaciliteiten (3D-printcapaciteit) bij partners. • Eindgebruikers benutten om input te ontvangen ten aanzien van de eisen aan een component.

Naam project

Design rules

Onderwerp

Ontwikkelen van design rules voor 3D-printen.


• Clusteren naar technologie-materiaalcombinaties. • Samenwerken in de keten: ontwerpers, producenten en eindgebruikers. • Open source/internet, ervaringsdeskundigen, designopleidingen, bedrijfsbezoeken, voorbeeld-

Mogelijke partners

• Ontwerpers in de industrie • Ontwerpbureaus • C AD-ontwikkelaars, 3D-printserviceproviders • 3D-scanning leveranciers/gebruikers • Web community en organisator

Naam project

Totale proces-optimalisatie (inclusief materiaal & machine)

Onderwerp

Verdiepende analyse wat precies verbeterd moet worden qua design, materiaal en

cases en prijsvraag.

proces (hele keten) rond (enkele) applicaties. Barrières (eisen die niet worden gehaald) / onderwerpen om aan te werken

• Selectie van specifieke applicatie + specifieke AM-technologie. • Analyseren van de belangrijkste factoren (design/materiaal/proces) en verbeteroplossingen

Mogelijke partners

• Materiaalleverancier • Softwareleverancier • Designbureau • Servicebureau • Applicatie/end-user • Onderwijsinstituut • TNO

Naam project

AM & connectivity

Onderwerp

Hybride product: AM-proces waarin je de toevoeging van de chip kan integreren.


• Noodzaak dat een IC de juiste vormgeving heeft voor integratie. • Temperatuur kritisch! • System-on-Chip design, geen externe componenten, low power, low cost,

Mogelijke partners

• Holst Centre (TNO/Imec) • 3D-machinebouwer, materiaalleverancier, packaging & assembly-partijen • Vervolg: Fontys, print equipment manufacturer, electrical circuitry printer

definiëren.

• Bouwen businesscase: kosten versus opbrengst ten opzichte van bestaande materiaaltechnologiecombinatie.

geen batterij.


75

Bijlage 6: Bestaande platformen (Bron: TNO)

• Additive Manufacturing Platform Europe • Canadian Association of Rapid Prototyping; Tooling and Manufacturing • Chinese Rapid Forming Technology Committee • Danish Rapid Prototyping Association • Egyptian Association of Additive Manufacturing • Finnish Rapid Prototyping Association • French Rapid Prototyping Association • Germany’s NC Society • Hong Kong Society for Rapid Prototyping, Tooling and Manufacturing • Rapid Prototyping Society of India • Italian Rapid Prototyping Association • Japan Association of Rapid Prototyping • Korean Society of Rapid Prototyping and Manufacturing • Association for RP Companies in The Netherlands • Portuguese Rapid Prototyping Association • RAPIMAN Network of Slovenia • Rapid Product Development Association of South Africa • Spanish Association for Rapid Manufacturing • Swedish Industrial Network on FFF • Swiss RaPid Forum • UK’s Rapid Prototyping and Manufacturing Association • USA’s Rapid Technologies & Additive Manufacturing Community of the Society of Manufacturing Engineers

76


80


Hightech systemen & materialen

3D-Printen

Dit is een uitgave van het projectteam van Innovatie Zuid. Dit project wordt mede mogelijk gemaakt met financiële steun uit het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling in het kader van OP-Zuid.

www.innovatiezuid.nl

Hightech systemen & materialen. 3D-Printen

Recommend Documents