Fremtiden er her allerede, men den udnyttes endnu kun i begrænset omfang

3D print er her allerede

Der forventes solgt omkring en halv million 3D printere i 2016, og salget fordobles hvert år. Der 3D printes mere end 10 millioner høreapparater, millioner af tandkroner, hundredetusindvis af knogleimplantater, millioner af smykker og tusindvis af dyser til flymotorer og støbeforme til industrien. Alene i 2016 er der introduceret 3D printere, som øger hastigheden med en faktor 100 for plastik og en faktor 10 for metalprint. Så fremtiden er her allerede, og udviklingen går stærkt.

Pris og omkostninger begrænser anvendelsen

De brancher, som bruger 3D print, fremstiller typisk noget småt med en høj kilopris. Småt fordi de fleste printere kun kan rumme noget, der er mindre end 30 x 30 x 30 cm, og høj kilopris fordi materialer til 3D print koster 650 kr./kg i plastprinteren og op til 3900 kr/kg i titanium-metalprintere. Oven i materialeprisen kommer så afskrivning af 3D printerens pris, som for professionelle printere ligger fra en halv million kr. og opefter. Desuden skal man regne med en ikke ubetydelig efterbearbejdning af det printede i form af at fjerne støtteplader, støttestrukturer, pulver, væske og slibning/sandblæsning af overflader. Hvis man køber 3D print hos et firma, der lever af at 3D printe, er prisen op til 10 gange højere end materialeprisen.

Implementering af 3D print

Lidt forenklet kan man se en implementeringsproces, hvor 3D print først bruges til prototyper, hvor det er billigere end håndlavede modeller, så til støbeforme hvor det er billigere end fræsede forme og til sidst til egentlig additiv manufacturing, dvs. produktion direkte på 3D printer.

Prototyper fra dag til dag

3D print er et fantastisk prototypeværktøj, som åbner nye muligheder for dialog med brugerne. Det er muligt at 3D printe fuldt funktionelle produkter med bevægelige funktioner i en kombination af hårde, bløde, farvede og glasagtigt gennemsigtige materialer på en printer i én proces. Hvis objekterne er i håndholdt størrelse, er det muligt at holde en workshop med brugerne den ene formiddag, designe ændringerne i løbet af eftermiddagen, printe i løbet af natten og have en ny protoype klar næste dag. Brugerne kan få produkterne med hjem og teste dem af i deres daglige brugssituation. De kan så komme tilbage og pege på forbedringsmuligheder, som dagen efter kan testes af. Tilsvarende kan produkterne testes af teknisk og gennem daglige iterationer udvikles til en imponerende kvalitet på få uger.

Støbeforme

Støbeformen er et kendt værktøj i den industrielle produktion. Støbeforme kan fremstilles meget hurtigere og mere præcist med 3D printer. 3D printede støbeforme er en yderst effektiv mellemfase mellem 3D printede prototyper og additiv manufacturing. 3D printede støbeforme og facadelementer kan sættes sammen og muliggøre produktion af objekter, der er større end printeren, f.eks. skibe og huse.

Kropstilpassede produkter

Jo mere produkter har med vores krop at gøre, jo mere glæde har vi af, at de passer lige præcis til os. Det er oplagt, at tandkroner skal passe på tiendele mm. Høreapparater skal passe ind i øregangen for at slutte tæt lydmæssigt og sidde, uden at det mærkes. Knogleimplantater skal passe, så vores led virker optimalt. De næste produkter, der både er små og dyre pr. kg, er briller, som designmæssigt kan tilpasses præcist til vores ansigt, og personlige smykker, der passer til vores farver og former. Der fremstilles også et stort antal værktøjer til industrielle processer, som er tilpasset fabriksarbejderens hænder og højde, så de støtter processen og mindsker belastningerne af kroppen. De første producenter er også ved at fremkomme med sko, der passer til folks fødder, knyster og vægt. De vil optimalt kunne understøtte gang, bevægelse og sport med den helt rigtige fjedring, som passer til knogler, sener og muskler i hver af dine fødder.

Produkter med stor effekt

En af de unikke ting ved 3D print er, at det er nemt at fremstille hulrum. Det giver nogle muligheder for f.eks. at bruge stål med hulrum i stedet for aluminium eller for at bruge aluminium med masser af hulrum for at spare vægt. Vægtbesparelser er noget især flyindustrien og rumfartsindustrien går voldsomt op i. Et kg ekstra vægt koster tusinder af kroner om året til ekstra brændstof i et fly. Også i biltrafikken kan der spares betydelige summer ved vægtreduktioner på bilkonstruktionerne.

General Electrics dyser til jetmotorer sparer vægt og øger samtidig virkningsgraden. Et mellemdistancefly som A320 neo eller Boeing 737 max bruger for 50 millioner kr. brændstof om året. Brændstofdyserne er 3D printet, så de bliver kølet af det kolde jetbrændstof, og det muliggør en forøgelse af temperaturen i jetmotorens forbrændingskammer. Højere temperatur betyder højere virkningsgrad. Det sparer i dette tilfælde kun nogle få procent på brændstof forbruget, men det bliver alligevel til en million kroner om året. Og så betyder det jo ikke så meget, hvad dysen koster at 3D printe.

Hurtigere end håndværkere, men langsommere end industriproduktion

3D printere er hurtigere end håndværkere, men meget meget langsommere end industriprocesser. De relativt billige plastikprintere producerer ca. 10 gram eller 10 cm3 3D print i timen, når de bygger lag i 0,3 mm tykkelse gennem en 0,3 mm dyse. Hvis dysens størrelse øges 10 gange, øges lagtykkelsen også 10 gange, mens tværsnittet øges 100 gange, så der kan produceres 1000 gram i timen. Jo grovere print man kan nøjes med, jo hurtigere går processen. Men grove print fører til efterbearbejdning i form af slibning og spartling.

Tempoet kan også øges ved at sætte mange dyser ved siden af hinanden i hele printets bredde. Dermed reduceres printprocessen fra 3D til 2D, og den kan køre meget hurtigere. Sand-printere kan komme helt op på 200.000 cm3 i timen i 0,3 mm tykkelse ved hjælp af tusindvis af dyser.

Teknologiske gennembrud

CLIP teknologien er et gennembrud, fordi den reducerer printprocessen yderligere fra 2D til 1D ved at printe hele laget samtidig. Den teknologi, vi kender fra computerprojektorer, kan vise 25 billeder i sekundet ved hjælp af en DLP-chip, som tænder og slukker i UHD format for 8,8 milllioner pixel. Hvis man printer med 0,3 mm nøjagtighed, vil den øvre grænse for denne teknologi være, at man printer i 130 x 65 cm format og en lodret hastighed på 45 cm i minuttet. Det er næsten 22 millioner cm3 i timen eller 22 tons i timen. Så er vi oppe i industriel produktionskapacitet. Google, Autodesk og Ford har investeret over en milliard kroner i denne teknologi, som lige er kommet på markedet i en meget mindre udgave i form af produktet www.carbon3d.com. Ved en hærdningsproces kan disse 3D print også opnå en styrke og hårdhed som de bedste plastmaterialer.

Det israelske X-jet har med støtte fra nogenlunde samme gruppe af investorer udviklet en blanding af nano metalpulver og plastik, der kan printes som plastik og hærdes op som metal. Det vil derfor i løbet af få år været muligt at printe lynhurtigt, også i metal. Men inden for det første årti, hvor milliardinvesteringerne skal tjenes hjem, bliver det næppe helt billigt.

Reservedele produceret når og hvor de skal bruges

Producenter af maskiner, motorer og transportmidler er ofte forpligtet til at fremstille reservedele og lægge dem på lager i årtier uden at vide, om der nogensinde bliver brug for dem. Lageret findes ofte kun et enkelt sted i verden, og delene skal så flyves ud til kunden, som har en maskine, der er ude af drift. Det koster rigtig mange penge. Der er derfor stor interesse for at 3D printe reservedele ved behov tæt på den maskine, som har brug for reservedelen. Denne vision ligger formentlig 10 år ude i fremtiden for mange producenter, fordi en række forhold omkring IP rettigheder, ansvar, kvalitetssikring, garantier og certificering først skal på plads. Det er også et ganske stort skift for en virksomhed at gå fra at være producent til at være leverandør af koder til et netværk af 3D printervirksomheder. Og endelig skal reservedelene kunne adskilles i komponenter, som kan 3D printes og komponenter, som ikke kan, f.eks. selve elektronikchippen

Customization kompetencer skal dyrkes

En væsentlig kompetence, hvis man skal udnytte de nye muligheder, der opstår med brug af 3D, er at kunne designe og produktudvikle noget, der er skræddersyet til brugerne i dialog med brugerne. Det er noget, vi i dag kender fra optikere og tandlæger. Der er ikke længere en "one size fit all" tilgang, ingen masseproduktion, ingen 2017 model. Der er en "Peter model" og en "Ulla model", sådan som de snakker om i køkkenbranchen, blot langt mere bogstaveligt tilpasset brugerens behov.

Inden for beklædningsindustrien er der brug for helt nye kompetencer og anvendelse af IT. Der skal scannes, analyseres, beregnes, optimeres i en tæt og helst automatisk dialog med brugeren og brugerens krop. Der er også brug for designkompetencer, som bruger finite element og fluid dynamics til at designe produkter, der udnytter de nye muligheder for at mindske vægt, øge ydeevne, reducere antallet af komponenter og reducere montagearbejde. Man skal formå at kunne printe geometrier, som ikke kræver en masse support, der siden skal fjernes, og printe geometrier der kan stuves effektivt i printeren, så dens kapacitet udnyttes optimalt.

I takt med at 3D printerne bliver bedre, vil der derimod være et stadig mindre behov for maskinpasserfunktioner og finmekaniske-efterbearbejdninger og overfladebehandlinger.

Få printet din nye bil eller dit nye hus

Størrelsen er stadig en begrænsning, og det vil det være mange år endnu. Det er jo ret indlysende, at så længe materialer koster 650-3900 kr/kg vil de færreste printe noget stort. 3D print af en bil ville hurtigt være oppe i millionklassen. Der er også kun én printer i verden, som kan rumme en hel bil. Audi har 3D printet en bil i halv størrelse. Med investorer som Ford og BMW er det muligt, at CLIP teknologien udvikles til, at man kan 3D printe en hel bil, og at vi om måske 10 år vil se, at de dyreste biler som Lamborghini, Ferrari og Bugatti er 3D printede.

Beton er jo væsentlig billigere pr. kg, og der er faktisk printet nogle få huse i beton. Disse 3D print fremstår dog i meget grove 50 mm betonpølser, som kræver en ihærdig indsats fra en murer og maler, og en masse puds og spartel, før de ser ud som på de billeder, de fremviser. Der er også "snydt" med at vende huset 90 grader, efter at det er printet, fordi betonprinterne ikke kan printe vandrette flader såsom etagedæk og tage. Der er 3D printet lystbåde og små fly, mens større skibe og passagerfly ligger ude i fremtiden. Jeg arbejder med en slags byggeklodsversion, hvor geometrisk spændende facadeelementer fremstilles i en 3D sand-printer, der er ombygget til at printe i beton.

3D hjemmeproduktion er 10-20 år ude i fremtiden

Der er ganske lang vej og tid til, at almindelig industriel produktion af forbrugsgoder bliver afløst af, at folk selv printer produkterne hjemme på køkkenbordet. De små hobbyprintere kan ikke levere tilstrækkelig god kvalitet, og de industrielle kvalitets printere er store som 4-6 køkkenskabe. Men selv en ganske lang vej kan tilbagelægges hurtigt, hvis udviklingshastigheden er høj, og det er den for 3D printere. De første 3D printere kom på markedet hos 3D systems Stratasys og Materialise sidst i 80-erne, og disse monopoler hæmmede i mange år udviklingen gennem høje priser, beskyttet af deres patenter. I de seneste 5 år er disse patenter udløbet, og nu spreder 3D print sig som en steppebrand. Priserne er raslet ned fra millionklassen til nogle få tusinde kroner, og antallet af printere er tilsvarende vokset fra nogle få tusinde til omkring en million. Det er et udviklingstempo, som vi genkender fra PC-erne, hjemmeprintere, mobiltelefoner og smartphones. Det er således forudsigeligt, at også de professionelle og meget effektive 3D printteknologier, som i dag er patentbeskyttede, som jet teknologien og CLIP teknologien, i løbet af de næste årtier vil finde vej ud på massemarkedet. Stort volumen vil også skabe konkurrence om at levere de materialer, der printes med, og dermed vil prisen blive trukket ned. Og der er ikke nogen eksotiske eller meget begrænsede ressourcer, der kan holde prisen oppe. Vejen til denne vision for helt lokal produktion går formentlig via 3D print centre i hver by, siden i hver bydel og måske til sidst i hver boligforening.

Hvad er 3D print?

Når du printer en tegning ud på et papir, ses den som sorte streger, kurver og punkter. 3D printeren "limer" eller "størkner" et materiale der, hvor det "sorte" er. Den lægger så lag på lag oven på hinanden, og de ofte tusindvis af lag bliver efterhånden til et produkt. Den printer med plastik eller metal. Termoplastiske materialer varmes op, til de smelter i dysen eller ved laserlys og størkner på printet. Fotoplastiske materialer er flydende og størkner ved UV lys. Metal smeltes med laser, høj spænding (svejsning) eller i en plasma flamme og størkner på printet. Hver af disse metoder har fordele, ulemper, forskellige anvendelsesområder og forskellige priser.

General Electric brændstofdyse til Airbus 320 neo og Boeing 737 Max

Den nye brændstofdyse er fremstillet ved hjælp af en direkte metal laser sintring 3D-print proces. Dysen er 25 % lettere, og fem gange stærkere og antallet af komponenter er reduceret fra 20 til én, sammenlignet med traditionelt fremstillede dyser. Der er 38 dyser i alt i de to motorer, og hver motor sparer ca. 25.000 kr. brændstof årligt.

Temperaturforskelle giver problemer

Metal 3D printere varmer metallet op, til det smelter sammen. Målene passer altså eksakt, når 3D printet er 1000 grader varmt, men det krymper, når 3D printet køler ned bagefter. Hvis objektet er tilstrækkelig stort, lægges de nye varme lag ovenpå allerede afkølede og krympede lag. Når det nye lag så køler ned, introduceres spændinger i materialet, fordi det varme lag krymper, og det nedkølede lag allerede er krympet og derfor ikke krymper mere. Jo flere lag og jo langsommere proces desto værre bliver problemet. Disse problemer findes også i hobbyprintere og laser plastik printere. Problemet findes derimod ikke 3D printere, som hærder flydende plastik med UV lys.

Mange geometrier kræver støtteprint

Tyngdekraften, temperaturspændinger og trækkræfter, der overføres fra dysen til 3D printet, begrænser i praksis, hvad der kan printes. 3D printere kan bygge smalle overhæng men ikke bygge vandret ud i luften. 3D printere kan bygge små objekter, men de indbyggede spændinger vokser med størrelsen. Krumme overflader er stærkere end plane og jo mindre radius jo stærkere. Teknologiens begrænsninger kan modvirkes ved at printe understøttende strukturer, men jo flere strukturer der skal skæres væk fra modellen, jo mere håndarbejde og overfladebehandling bliver nødvendigt. Drevne designere kan imidlertid forme geometrier og tippe 3D printets lag, så de kan 3D printes uden støtteprint.

Driftssikkerhed

Hvis du printer 1.000 ark papir, og det ene af arkene sætter sig fast i printeren, kan du stadig bruge de 999 ark og printe det manglende ark. Hvis du 3D printer 1.000 lag i printprocessen, og der er en fejl i blot et enkelt lag, kan du smide 3D printet væk. Nogle printere har tusindvis af dyser. Hvis blot én af dem ikke virker, kan du smide 3D printet væk. 3D print stiller således

ekstreme krav til driftssikkerhed, og vi er desværre ikke der endnu, hvor man kan sætte printeren i gang hen over natten og være sikker på, at der står et færdigt print dagen efter.

Widex CAMISHA

Widex CAMISHA (Computer Aided Manufacturing of Individual Shells for Hearing Aids) er en avanceret fremstillingsmetode af individuelle skaller til høreapparater og ørepropper. Widex vandt den prestigefyldte European Inventor Award i 2012 for CAMISHA teknologien.

CAMISHA anvender laser-teknologi til at scanne aftrykkene af klientens ører og anvender disse data til at skabe en 3D model. Modellen bliver derefter brugt til fremstilling af skaller og ørepropper, der passer klientens øregang perfekt.

Fordelene er:

• Skaller til høreapparater passer perfekt fra start.
• Skallerne kan blive mindre og mere diskrete.
• Præcision giver bedre og mere behagelig pasform.
• Man behøver kun at tage aftryk af klientens ører én gang.

Processen er:

• Et aftryk tages af øret, for eksempel med Dreve aftryksmateriale.
• Aftrykket scannes til en computer.
• Informationen omdannes til en 3D model.
• Øreproppen formes herefter, så den passer perfekt til øregangen.
• Disse data overføres herefter til en 3D ’printer’.
• En kraftfuld laser bygger til sidst en skal eller øreprop, lag for lag. Hvert lag har en tykkelse af blot 0.1 mm.

Læs her flere artikler fra Effektivitet nr. 3, 2016.