Revolutionen inden for 3D-printning

Revolutionen inden for 3D-printning

Industriel 3D-printning er ved at nå et vendepunkt og er ved at blive mainstream i stor stil. De fleste ledere og mange ingeniører er ikke klar over det, men denne teknologi har bevæget sig langt ud over prototypefremstilling, hurtig værktøjsfremstilling, nips og legetøj. “Additiv fremstilling” skaber holdbare og sikre produkter til salg til rigtige kunder i moderate til store mængder.

Den begyndende revolution viser sig i en PwC-undersøgelse fra 2014 af mere end 100 fremstillingsvirksomheder. På tidspunktet for undersøgelsen havde 11 % allerede skiftet til volumenproduktion af 3D-printede dele eller produkter. Ifølge analytikere fra Gartner er en teknologi “mainstream”, når den når et adoptionsniveau på 20 %.

Blandt de mange virksomheder, der anvender 3D-printing til at øge produktionen, er GE (jetmotorer, medicinsk udstyr og dele til husholdningsmaskiner), Lockheed Martin og Boeing (luft- og rumfart og forsvar), Aurora Flight Sciences (ubemandede luftfartøjer), Invisalign (tandlægeudstyr), Google (forbrugerelektronik) og den hollandske virksomhed LUXeXcel (linser til lysemitterende dioder, eller LED’er). McKinsey, der følger denne udvikling, rapporterede for nylig, at 3D-printing er “klar til at komme ud af sin nichestatus og blive et levedygtigt alternativ til konventionelle fremstillingsprocesser i et stigende antal applikationer”. I 2014 var salget af 3D-printere af industriel kvalitet i USA allerede en tredjedel af salget af industriel automatisering og robotteknologi. Ifølge nogle prognoser vil dette tal stige til 42 % i 2020.

Flere virksomheder vil følge efter, efterhånden som udvalget af printbare materialer fortsætter med at blive udvidet. Ud over basiskunststoffer og lysfølsomme harpikser omfatter disse allerede nu keramik, cement, glas, talrige metaller og metallegeringer samt nye termoplastiske kompositmaterialer, der er tilsat kulstofnanorør og -fibre. Overlegen økonomi vil i sidste ende overbevise de efterslæbende. Selv om de direkte omkostninger ved at producere varer med disse nye metoder og materialer ofte er højere, betyder den større fleksibilitet, som additiv fremstilling giver mulighed for, at de samlede omkostninger kan blive betydeligt lavere.

Med dette revolutionerende skift allerede i gang bør lederne nu beskæftige sig med strategiske spørgsmål på tre niveauer:

For det første bør sælgere af håndgribelige produkter spørge, hvordan deres tilbud kan forbedres, enten af dem selv eller af konkurrenterne. Fremstilling af en genstand lag for lag i henhold til et digitalt “blueprint”, der er downloadet til en printer, giver ikke blot mulighed for ubegrænset tilpasning, men også for mere indviklede designs.

For det andet skal industrivirksomhederne tage deres aktiviteter op til fornyet overvejelse. I takt med at additiv fremstilling skaber et utal af nye muligheder for, hvordan, hvornår og hvor produkter og dele fremstilles, skal industrien overveje, hvilket netværk af forsyningskædeaktiver og hvilken blanding af gamle og nye processer der vil være optimal?

For det tredje skal lederne overveje de strategiske konsekvenser, når hele kommercielle økosystemer begynder at blive dannet omkring den nye virkelighed, som 3D-printning er. Der er blevet talt meget om potentialet for, at store dele af fremstillingssektoren kan blive opsplittet i et utal af små “producenter”. Men denne vision har en tendens til at skjule en mere sikker og vigtigere udvikling: For at muliggøre en integration af aktiviteterne på tværs af designere, producenter og leverandører af varer, skal der etableres digitale platforme. I første omgang vil disse platforme muliggøre design-to-print-aktiviteter og deling og hurtig downloading af design. Snart vil de orkestrere printeroperationer, kvalitetskontrol, realtidsoptimering af printernetværk og kapacitetsudveksling blandt andre nødvendige funktioner. De mest succesrige platformsudbydere vil få stor fremgang ved at etablere standarder og skabe de rammer, hvor et komplekst økosystem kan koordinere svarene på markedets krav. Men alle virksomheder vil blive påvirket af fremkomsten af disse platforme. Der vil være stor kamp mellem etablerede og nye virksomheder om at få del i den enorme værdi, som denne nye teknologi vil skabe.

Disse spørgsmål udgør en betydelig mængde strategisk tænkning, og der er stadig et andet spørgsmål tilbage: Hvor hurtigt vil alt dette ske? For en given virksomhed kan det ske hurtigt på følgende måde: Den amerikanske høreapparatindustri konverterede til 100 % additiv fremstilling på mindre end 500 dage, ifølge en direktør i branchen, og ikke en eneste virksomhed, der holdt fast ved traditionelle fremstillingsmetoder, overlevede. Ledere skal afgøre, om det er klogt at vente på, at denne hurtigt udviklende teknologi modnes, før de foretager visse investeringer, eller om risikoen ved at vente er for stor. Deres svar vil være forskellige, men for dem alle synes det sikkert at sige, at tiden for strategisk tænkning er inde nu.

Additive fordele

Det kan være svært at forestille sig, at denne teknologi vil fortrænge de nuværende standardmetoder til fremstilling af ting i store mængder. Traditionelle sprøjtestøbningspresser kan f.eks. spytte tusindvis af widgets ud i timen. I modsætning hertil finder folk, der har set 3D-printere i aktion på hobbymarkedet, ofte den lag-for-lag-tilvækst af objekter komisk langsom. Men de seneste fremskridt inden for teknologien er ved at ændre dette dramatisk i industrielle sammenhænge.

Nogle glemmer måske, hvorfor standardproduktion sker med en så imponerende hastighed. Disse widgets strømmer hurtigt ud, fordi der er foretaget store investeringer på forhånd for at etablere den komplekse række af værktøjsmaskiner og udstyr, der er nødvendige for at producere dem. Den første enhed er ekstremt dyr at fremstille, men efterhånden som identiske enheder følger efter, falder deres marginalomkostninger.

Additiv fremstilling giver ikke noget, der ligner denne stordriftsøkonomi. Den undgår dog ulempen ved standardproduktion – manglende fleksibilitet. Fordi hver enhed bygges uafhængigt, kan den let ændres for at opfylde unikke behov eller, mere generelt, for at imødekomme forbedringer eller skiftende mode. Og det er meget nemmere at etablere produktionssystemet i første omgang, fordi det omfatter langt færre faser. Det er derfor, at 3D-printning har været så værdifuldt til at fremstille engangsvarer som prototyper og sjældne reservedele. Men additiv fremstilling giver i stigende grad mening, selv i større skala. Køberne kan vælge mellem uendelige kombinationer af former, størrelser og farver, og denne tilpasning øger kun i ringe grad producentens omkostninger, selv når ordrerne når op på masseproduktionsniveau.

En stor del af den additive fordel er, at dele, der tidligere blev støbt separat og derefter samlet, nu kan produceres som ét stykke i en enkelt serie. Et enkelt eksempel er solbriller: 3-D-processen gør det muligt at variere porøsiteten og blandingen af plastmaterialer i forskellige områder af stellet. Ørestykkerne bliver bløde og fleksible, mens randen, der holder linserne, er hård. Der kræves ingen samling.

Det er også muligt at udskrive dele og produkter med mere komplekse arkitekturer, f.eks. med honningkamme i stålpaneler eller geometrier, der tidligere var for fine til at fræse. Komplekse mekaniske dele – f.eks. et indkapslet sæt tandhjul – kan fremstilles uden samling. Additive metoder kan bruges til at kombinere dele og generere langt flere indvendige detaljer. Det er grunden til, at GE Aviation er gået over til at printe brændstofdyserne i visse jetmotorer. Virksomheden forventer at producere mere end 45 000 af det samme design om året, så man kunne antage, at konventionelle fremstillingsmetoder ville være mere velegnede. Men printteknologien gør det muligt at fremstille en dyse i ét stykke, som tidligere skulle samles af 20 separat støbte dele. GE siger, at dette vil reducere fremstillingsomkostningerne med 75 %.

Additiv fremstilling kan også bruge flere printerstråler til at lægge forskellige materialer ned samtidig. Optomec og andre virksomheder er således ved at udvikle ledende materialer og metoder til at printe mikrobatterier og elektroniske kredsløb direkte ind i eller på overfladerne af elektroniske forbrugerudstyr. Andre anvendelser omfatter medicinsk udstyr, transportmidler, komponenter til luft- og rumfart, måleudstyr, telekommunikationsinfrastruktur og mange andre “intelligente” ting.

Den enorme tiltrækningskraft af begrænsning af samlearbejde presser additiv fremstillingsudstyret til at vokse sig stadig større. I øjeblikket er det amerikanske forsvarsministerium, Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel og Oak Ridge National Laboratory i samarbejde om at udvikle en kapacitet til at printe det meste af endo- og exoskeletterne i jetjagere, herunder krop, vinger, interne strukturpaneler, indlejrede ledninger og antenner og snart også den centrale bærende struktur. Den såkaldte additive fremstilling af store områder gør det muligt at fremstille sådanne store objekter ved hjælp af et enormt portalsystem med computerstyret kontrol til at flytte printerne i position. Når denne proces er blevet certificeret til brug, vil den eneste samling, der er nødvendig, være installation af plug-and-play-elektronikmoduler til navigation, kommunikation, våben og elektroniske modforanstaltninger i de bajer, der skabes under udskrivningsprocessen. I Irak og Afghanistan har det amerikanske militær brugt droner fra Aurora Flight Sciences, som printer hele kroppen af disse ubemandede luftfartøjer – nogle med en vingefangst på 132 fod – på én gang.

Tredimensionel strategi

Denne korte diskussion af fordelene ved additiv fremstilling antyder, hvor let virksomhederne vil tage teknologien til sig – og yderligere besparelser i lager-, forsendelses- og anlægsomkostninger vil gøre argumentet endnu stærkere. Den klare konsekvens er, at ledere i virksomheder af alle slags bør arbejde på at foregribe, hvordan deres virksomheder vil tilpasse sig på de tre strategiske niveauer, der er nævnt ovenfor.

Offerings, redesigned.

Produktstrategi er svaret på det mest grundlæggende spørgsmål i erhvervslivet, nemlig: Hvad vil vi sælge? Virksomhederne bliver nødt til at forestille sig, hvordan deres kunder kan blive bedre betjent i en æra med additiv fremstilling. Hvilke designs og funktioner vil nu være mulige, som ikke var det før? Hvilke aspekter kan forbedres, fordi begrænsninger eller leveringsforsinkelser er blevet elimineret?

For eksempel vil 3D-printning i luftfarts- og bilindustrien oftest blive anvendt i jagten på at øge ydeevnen. Tidligere kunne man forbedre brændstofeffektiviteten i jetjagere og køretøjer ved at reducere deres vægt, men det gjorde dem ofte mindre strukturelt sunde. Den nye teknologi gør det muligt for producenterne at udhule en del for at gøre den lettere og mere brændstofeffektiv og inkorporere interne strukturer, der giver større trækstyrke, holdbarhed og modstandsdygtighed over for stød. Og nye materialer, der har større varme- og kemisk modstandsdygtighed, kan anvendes forskellige steder i et produkt efter behov.

I andre industrier vil brugen af additiv fremstilling til mere skræddersyede og hurtigt udviklende produkter få konsekvenser for, hvordan produkterne markedsføres. Hvad sker der med konceptet om produktgenerationer – for slet ikke at tale om den store opsigt omkring en lancering – når tingene kan opgraderes løbende i løbet af successive udskrivninger i stedet for i de kvantespring, der kræves på grund af de højere værktøjsomkostninger og opsætningstider ved konventionel fremstilling? Forestil dig en nær fremtid, hvor cloud-baseret kunstig intelligens forbedrer additiv fremstillings evne til at ændre eller tilføje produkter øjeblikkeligt uden at skulle omrokere. Ændringer i realtid i produktstrategien, f.eks. produktmix og designbeslutninger, ville blive mulige. Hvilke nye fordele bør være centrale for brandets løfter med en sådan hurtig tilpasning? Og hvordan kan marketingafdelingerne forhindre, at varemærket glider afsted uden at miste salg?

Drift, reoptimeret.

Driftsstrategi omfatter alle spørgsmål om, hvordan en virksomhed vil købe, producere, flytte og sælge varer. Svarene vil være meget forskellige med additiv fremstilling. Større driftseffektivitet er altid et mål, men det kan opnås på mange måder. I dag foretager de fleste virksomheder, der overvejer at anvende teknologien, en fragmentarisk finansiel analyse af målrettede muligheder for at bytte 3D-udstyr og -design ud med 3D-udstyr og -design, hvor dette kan reducere de direkte omkostninger. De vil opnå langt større gevinster, når de udvider deres analyser til at omfatte de samlede omkostninger til fremstilling og generalomkostninger.

Hvor meget kan der spares ved at skære samlingstrinene væk? Eller ved at skære ned på lagerbeholdningerne ved kun at producere efter den faktiske efterspørgsel? Eller ved at sælge på forskellige måder – f.eks. direkte til forbrugerne via grænseflader, der giver dem mulighed for at specificere en hvilken som helst konfiguration? I en hybridverden med gamle og nye fremstillingsmetoder vil producenterne have mange flere muligheder; de vil være nødt til at beslutte, hvilke komponenter eller produkter der skal overgå til additiv fremstilling og i hvilken rækkefølge.

Der vil opstå yderligere spørgsmål om placeringen af anlæggene. Hvor tæt skal de ligge på hvilke kunder? Hvordan kan meget tilpassede ordrer leveres lige så effektivt, som de produceres? Skal printning centraliseres på fabrikker eller spredes i et netværk af printere hos distributører, hos detailhandlere, på lastbiler eller endog på kundernes anlæg? Måske alt det ovenstående. Svarene vil ændre sig i realtid, idet de tilpasses til ændringer i valutakurserne, lønomkostningerne, printernes effektivitet og kapacitet, materialeomkostningerne, energiomkostningerne og forsendelsesomkostningerne.

En kortere rejseafstand for produkter eller dele sparer ikke kun penge; det sparer også tid. Hvis du nogensinde har været tvunget til at efterlade dit køretøj på et værksted, mens mekanikeren venter på en reservedel, vil du sætte pris på det. BMW og Honda, blandt andre bilproducenter, bevæger sig i retning af additiv fremstilling af mange industrielle værktøjer og slutbrugsdele til biler på deres fabrikker og hos forhandlere – især efterhånden som nye materialer af metal, kompositplast og kulfiber bliver tilgængelige til brug i 3D-printere. Distributører i mange brancher tager dette til efterretning og er ivrige efter at hjælpe deres erhvervskunder med at udnytte de nye effektivitetsfordele. UPS bygger f.eks. på sin eksisterende tredjepartslogistikvirksomhed for at omdanne sine lufthavnshublagre til minifabrikker. Ideen er at producere og levere tilpassede dele til kunderne efter behov i stedet for at bruge store arealer med hylder til store lagre. Hvis vi allerede lever i en verden med just-in-time-lagerstyring, kan vi nu se, hvor JIT-agtige tingene kan blive. Velkommen til øjeblikkelig lagerstyring.

I betragtning af alle de potentielle effektivitetsgevinster ved højintegreret additiv fremstilling kan forretningsprocesstyring blive den vigtigste egenskab, der findes. Nogle virksomheder, der udmærker sig på dette område, vil opbygge proprietære koordineringssystemer for at sikre sig en konkurrencefordel. Andre vil vedtage og bidrage til at forme standardpakker, der er skabt af store softwarevirksomheder.

Økosystemer, omkonfigureret.

Sidst kommer spørgsmålet om, hvor og hvordan virksomheden passer ind i sit bredere forretningsmiljø. Her tager lederne fat på gåderne: Hvem er vi? og Hvad skal vi eje for at være dem, vi er? Efterhånden som additiv fremstilling gør det muligt for virksomheder at anskaffe printere, der kan fremstille mange produkter, og efterhånden som ledig kapacitet handles med andre virksomheder, der tilbyder forskellige produkter, vil svarene på disse spørgsmål blive langt mindre klare. Lad os antage, at du har rækker af printere i dit anlæg, som den ene dag fremstiller bildele, den næste dag militært udstyr og den næste dag legetøj. Hvilken branche er du en del af? Traditionelle grænser vil udviskes. Alligevel har ledere brug for en stærk fornemmelse af virksomhedens rolle i verden for at kunne træffe beslutninger om, hvilke aktiver de vil investere i eller afhænde.

De vil måske opleve, at deres organisationer udvikler sig til noget helt andet end det, de har været. Efterhånden som virksomhederne frigøres fra mange af de logistiske krav, der er forbundet med standardproduktion, bliver de nødt til at se på ny på værdien af deres kapaciteter og andre aktiver, og hvordan disse supplerer eller konkurrerer med andres kapaciteter.

Platformmuligheden

En position i økosystemet vil vise sig at være den mest centrale og magtfulde – og denne kendsgerning er ikke gået ledelsesteamene hos de største aktører, der allerede er aktive inden for additiv fremstilling, såsom eBay, IBM, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys og 3D Systems, forundt. Mange kæmper om at udvikle de platforme, som andre virksomheder vil bygge og forbinde sig på. De ved, at rollen som platformsleverandør er det største strategiske mål, de kan forfølge, og at den stadig er meget oplagt.

Platforme er et fremtrædende træk på de stærkt digitaliserede markeder i det 21. århundrede, og additiv fremstilling vil ikke være nogen undtagelse. Her vil platformsejerne være magtfulde, fordi selve produktionen sandsynligvis vil få mindre betydning med tiden. Nogle virksomheder er allerede i færd med at oprette “printerfarme” på kontraktbasis, som effektivt vil gøre fremstillingen af produkter efter behov til en almindelig vare. Selv de værdifulde designs til printbare produkter vil være svære at holde fast i, da de er rent digitale og let delbare. (3D-scanningsudstyr vil i øvrigt gøre det muligt at foretage reverse-engineering af produkter ved at registrere deres geometriske designoplysninger.)

Alle i systemet vil have en interesse i at opretholde de platforme, hvor produktionen er dynamisk orkestreret, hvor tegninger lagres og løbende forbedres, hvor råvareleverancer overvåges og indkøbes, og hvor kundeordrer modtages. De, der kontrollerer det digitale økosystem, vil sidde midt i en enorm mængde industrielle transaktioner, hvor de indsamler og sælger værdifulde oplysninger. De vil foretage arbitrage og dele arbejdet op mellem betroede parter eller overdrage det internt, når det er hensigtsmæssigt. De vil handle med printerkapacitet og design over hele verden og påvirke priserne ved at kontrollere eller omdirigere “deal flowet” for begge dele. Ligesom arbitrageører på råvareområdet vil de finansiere handler eller købe lavt og sælge højt med den asymmetriske information, de opnår ved at overvåge millioner af transaktioner.

Respektet for at tilpasse den spredte kapacitet til den voksende efterspørgsel på markedet vil tilfalde et lille antal virksomheder – og hvis hele systemet skal fungere effektivt, er nogle nødt til at tage ansvaret på sig. Man kan forvente, at der vil dukke analoger til Google, eBay, Match.com og Amazon op som søgemaskiner, udvekslingsplatforme, brandede markedspladser og matchmakere blandt additiv fremstillingsprintere, designere og designopbevaringscentre. Måske vil der endda opstå automatiseret handel sammen med markeder for handel med derivater eller futures på printerkapacitet og design.

I det væsentlige vil ejerne af printerbaserede fremstillingsaktiver altså konkurrere med ejerne af information om de overskud, der genereres af økosystemet. Og i løbet af forholdsvis kort tid vil magten gå fra producenterne til de store systemintegratorer, som vil oprette brandede platforme med fælles standarder til at koordinere og støtte systemet. De vil fremme innovation gennem open sourcing og opkøb eller partnerskaber med mindre virksomheder, der opfylder høje kvalitetsstandarder. Små virksomheder vil måske fortsat afprøve interessante nye tilgange på marginalerne – men vi får brug for store organisationer til at overvåge eksperimenterne og derefter skubbe dem til at blive praktiske og skalerbare.

Digital historie replikeret

Tænker man på den revolution, der er under udvikling inden for additiv fremstilling, er det svært ikke at tænke på den store transformative teknologi, internettet. Med hensyn til sidstnævntes historie er det måske rimeligt at sige, at additiv fremstilling først er i 1995. Hype-niveauet var højt det år, men ingen kunne forestille sig, hvordan handel og liv ville ændre sig i løbet af det kommende årti med ankomsten af Wi-Fi, smartphones og cloud computing. Kun få forudså den dag, hvor internetbaseret kunstig intelligens og softwaresystemer ville kunne drive fabrikker – og endda byinfrastrukturer – bedre end mennesker kunne.

Fremtiden for additiv fremstilling vil bringe lignende overraskelser med sig, som måske ser helt logiske ud i bakspejlet, men som er svære at forestille sig i dag. Forestil dig, hvordan nye, meget dygtige printere kan erstatte højt kvalificeret arbejdskraft og flytte hele virksomheder og endog produktionsbaserede lande over til en produktion uden mennesker. I “maskinorganisationer” vil mennesker måske kun arbejde for at servicere printerne.

Og denne fremtid vil komme hurtigt. Når virksomhederne først har sat en tå i vandet og oplevet fordelene ved større fleksibilitet i produktionen, har de en tendens til at dykke dybt ned i vandet. Efterhånden som materialevidenskaben skaber flere printbare stoffer, vil flere producenter og produkter følge efter. Local Motors demonstrerede for nylig, at de kan printe en flot roadster, herunder hjul, chassis, karrosseri, tag, indvendige sæder og instrumentbræt, men endnu ikke drivlinje, fra bund til top på 48 timer. Når den går i produktion, vil roadsteren, inklusive drivlinje, blive prissat til ca. 20.000 dollars. Efterhånden som prisen på 3D-udstyr og materialer falder, bliver de traditionelle metoders resterende fordele i form af stordriftsfordele en mindre faktor.

Her er, hvad vi med sikkerhed kan forvente: Inden for de næste fem år vil vi have fuldt automatiserede additive fremstillingssystemer med høj hastighed og store mængder, som er økonomiske, selv for standardiserede dele. På grund af disse systemers fleksibilitet vil tilpasning eller fragmentering inden for mange produktkategorier derefter tage fart, hvilket yderligere vil reducere den konventionelle masseproduktions markedsandel.

Smarte virksomhedsledere venter ikke på, at alle detaljer og eventualiteter skal afsløre sig selv. De kan tydeligt nok se, at udviklingen inden for additiv fremstilling vil ændre den måde, hvorpå produkter designes, fremstilles, købes og leveres. De tager de første skridt til en omlægning af fremstillingssystemerne. De forestiller sig de krav, de vil gøre sig gældende i det nye økosystem. De er i gang med at træffe de mange lag af beslutninger, der vil give en fordel i en ny verden med 3D-printning.