3D-utskriftsrevolutionen

3D-utskriftsrevolutionen

Den industriella 3D-utskriften har nått en brytpunkt, och är på väg att bli vanlig på ett stort sätt. De flesta chefer och många ingenjörer inser det inte, men den här tekniken har gått långt bortom prototyptillverkning, snabbverktyg, prydnadsföremål och leksaker. ”Additiv tillverkning” skapar hållbara och säkra produkter som säljs till riktiga kunder i måttliga till stora mängder.

De första tecknen på revolutionen visar sig i en PwC-undersökning från 2014 av mer än 100 tillverkningsföretag. Vid tidpunkten för undersökningen hade 11 % redan övergått till volymproduktion av 3D-printade delar eller produkter. Enligt analytiker från Gartner är en teknik ”mainstream” när den når en adoptionsnivå på 20 %.

Bland de många företag som använder 3D-utskrift för att öka produktionen finns GE (jetmotorer, medicintekniska produkter och delar till hushållsapparater), Lockheed Martin och Boeing (flyg- och försvarsindustrin), Aurora Flight Sciences (obemannade flygfarkoster), Invisalign (tandvårdsapparater), Google (konsumentelektronik) och det holländska företaget LUXeXcel (linser för lysdioder, eller LED). McKinsey, som följer denna utveckling, rapporterade nyligen att 3D-utskrift är ”redo att ta sig ur sin nischstatus och bli ett livskraftigt alternativ till konventionella tillverkningsprocesser i ett ökande antal tillämpningar”. År 2014 var försäljningen av industriella 3D-skrivare i USA redan en tredjedel av försäljningen av industriell automation och robotar. Enligt vissa prognoser kommer den siffran att stiga till 42 % år 2020.

Fler företag kommer att följa efter i takt med att utbudet av utskrivbara material fortsätter att öka. Förutom basplaster och ljuskänsliga hartser omfattar dessa redan keramik, cement, glas, många metaller och metallegeringar samt nya termoplastiska kompositer som genomsyras av kolnanorör och fibrer. Överlägsen ekonomi kommer så småningom att övertyga eftersläntrarna. Även om de direkta kostnaderna för att producera varor med dessa nya metoder och material ofta är högre, innebär den större flexibilitet som den additiva tillverkningen erbjuder att de totala kostnaderna kan bli betydligt lägre.

Med tanke på att denna revolutionära förändring redan har inletts bör cheferna nu ägna sig åt strategiska frågor på tre nivåer:

För det första bör säljare av materiella produkter fråga sig hur deras erbjudanden kan förbättras, oavsett om det är av dem själva eller av konkurrenterna. Att tillverka ett föremål lager för lager, enligt en digital ”ritning” som laddas ner till en skrivare, gör det inte bara möjligt att anpassa objektet utan också att göra det mer komplicerat.

För det andra måste industriföretagen se över sin verksamhet. Eftersom additiv tillverkning skapar otaliga nya alternativ för hur, när och var produkter och delar tillverkas, vilket nätverk av tillgångar i leveranskedjan och vilken blandning av gamla och nya processer kommer att vara optimalt?

För det tredje måste ledarna överväga de strategiska konsekvenserna när hela kommersiella ekosystem börjar bildas kring den nya verkligheten för 3D-utskrifter. Mycket har gjorts om potentialen för att stora delar av tillverkningssektorn ska kunna atomiseras till ett oräkneligt antal små ”tillverkare”. Men den visionen tenderar att dölja en säkrare och viktigare utveckling: För att möjliggöra en integrering av verksamheter mellan designers, tillverkare och transportörer av varor måste digitala plattformar inrättas. Till att börja med kommer dessa plattformar att möjliggöra design-to-print-verksamhet och delning och snabb nedladdning av design. Snart kommer de att kunna hantera tryckeriverksamhet, kvalitetskontroll, optimering i realtid av tryckerinätverk och kapacitetsutbyte, bland andra nödvändiga funktioner. De mest framgångsrika plattformsleverantörerna kommer att ha ett stort välstånd genom att fastställa standarder och tillhandahålla de ramar inom vilka ett komplext ekosystem kan samordna svaren på marknadens krav. Men alla företag kommer att påverkas av dessa plattformars framväxt. Det kommer att bli mycket kamp mellan etablerade företag och nykomlingar för att erövra andelar av det enorma värde som denna nya teknik kommer att skapa.

Dessa frågor utgör en betydande mängd strategiskt tänkande, och ännu en fråga återstår: Hur snabbt kommer allt detta att ske? För en viss verksamhet kan det här vara hur snabbt det kan gå: Den amerikanska hörapparatindustrin övergick till 100 % additiv tillverkning på mindre än 500 dagar, enligt en VD i branschen, och inte ett enda företag som höll fast vid traditionella tillverkningsmetoder överlevde. Cheferna måste avgöra om det är klokt att vänta på att denna snabbt utvecklande teknik ska mogna innan de gör vissa investeringar eller om risken med att vänta är för stor. Deras svar kommer att skilja sig åt, men för alla verkar det säkert att säga att tiden för strategiskt tänkande är nu.

Additiva fördelar

Det kan vara svårt att föreställa sig att denna teknik kommer att tränga undan dagens standardmetoder för att tillverka saker i stora mängder. Traditionella formsprutningspressar, till exempel, kan spotta ut tusentals widgets i timmen. Personer som har sett 3D-skrivare i aktion på hobbymarknaden tycker däremot ofta att det går komiskt långsamt att skapa föremål lager för lager. Men de senaste framstegen inom tekniken håller på att ändra detta dramatiskt i industriella miljöer.

Vissa glömmer kanske varför standardtillverkning sker med en sådan imponerande hastighet. Dessa widgetar flödar ut snabbt eftersom tunga investeringar har gjorts i förväg för att upprätta den komplexa uppsättning av verktygsmaskiner och utrustning som krävs för att tillverka dem. Den första enheten är extremt dyr att tillverka, men när identiska enheter följer efter sjunker deras marginalkostnad.

Additiv tillverkning erbjuder inte något som liknar denna stordriftsfördel. Den undviker dock nackdelen med standardtillverkning – bristen på flexibilitet. Eftersom varje enhet byggs oberoende kan den lätt ändras för att passa unika behov eller, mer allmänt, för att tillgodose förbättringar eller förändrat mode. Det är dessutom mycket enklare att inrätta produktionssystemet eftersom det omfattar mycket färre steg. Det är därför som 3D-utskrift har varit så värdefull för tillverkning av engångsartiklar, t.ex. prototyper och sällsynta reservdelar. Men additiv tillverkning blir alltmer meningsfull även i större skala. Köparna kan välja mellan oändliga kombinationer av former, storlekar och färger, och denna anpassning ökar tillverkarens kostnader i liten utsträckning även när beställningarna når massproduktionsnivåer.

En stor del av den additiva fördelen är att delar som tidigare formades separat och sedan monterades kan nu produceras som ett enda stycke i en enda omgång. Ett enkelt exempel är solglasögon: 3D-processen gör att porositeten och blandningen av plaster kan variera i olika delar av ramen. Öronstyckena blir mjuka och flexibla, medan ramarna som håller linserna är hårda. Ingen montering krävs.

Den som skriver ut delar och produkter gör det också möjligt att utforma dem med mer komplexa arkitekturer, t.ex. honungskakor i stålpaneler eller geometrier som tidigare var för fina för att fräsa. Komplexa mekaniska delar, t.ex. en inkapslad uppsättning kugghjul, kan tillverkas utan montering. Additiva metoder kan användas för att kombinera delar och skapa mycket mer inredningsdetaljer. Det är därför GE Aviation har övergått till att skriva ut bränslemunstyckena i vissa jetmotorer. Företaget räknar med att producera mer än 45 000 exemplar av samma konstruktion per år, så man skulle kunna anta att konventionella tillverkningsmetoder skulle vara mer lämpliga. Men utskriftsteknik gör det möjligt att tillverka ett munstycke i ett enda stycke som tidigare monterades av 20 separat gjutna delar. GE säger att detta kommer att sänka tillverkningskostnaden med 75 %.

Additiv tillverkning kan också använda flera skrivarstrålar för att lägga ner olika material samtidigt. Optomec och andra företag utvecklar därför ledande material och metoder för att skriva ut mikrobatterier och elektroniska kretsar direkt i eller på ytorna på konsumentelektroniska apparater. Ytterligare tillämpningar omfattar medicinsk utrustning, transportmedel, komponenter för flyg- och rymdindustrin, mätutrustning, telekominfrastruktur och många andra ”smarta” saker.

Den enorma attraktionskraften av att begränsa monteringsarbetet driver på den additiva tillverkningsutrustningen för att den ska växa sig allt större. I dagsläget samarbetar det amerikanska försvarsdepartementet, Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel och Oak Ridge National Laboratory för att utveckla en kapacitet för att skriva ut de flesta av jaktplanens endo- och exoskelett, inklusive kropp, vingar, interna strukturella paneler, inbyggda ledningar och antenner och snart även den centrala bärande strukturen. Den så kallade additiva tillverkningen i stora områden gör det möjligt att tillverka så stora objekt genom att använda en enorm portal med datoriserade kontroller för att flytta skrivarna på plats. När denna process har certifierats för användning kommer den enda montering som krävs att vara installationen av plug-and-play-elektronikmoduler för navigations-, kommunikations-, vapen- och elektroniska motmedelssystem i de fack som skapas under tryckprocessen. I Irak och Afghanistan har den amerikanska militären använt drönare från Aurora Flight Sciences, som skriver ut hela kroppen på dessa obemannade luftfarkoster – vissa med ett vingspann på 1,5 meter – i ett enda bygge.

Dreidimensionell strategi

Den här korta diskussionen om den additiva tillverkningens fördelar ger en antydan om hur lätt företagen kommer att ta till sig tekniken – och ytterligare besparingar i lager-, frakt- och anläggningskostnader kommer att göra argumenten ännu starkare. Den tydliga konsekvensen är att chefer i företag av alla slag bör arbeta för att förutse hur deras företag kommer att anpassa sig på de tre strategiska nivåer som nämns ovan.

Anbud, omdesignade.

Produktstrategi är svaret på den mest grundläggande frågan i affärsverksamheten: Vad kommer vi att sälja? Företagen måste föreställa sig hur deras kunder kan betjänas bättre i en tid av additiv tillverkning. Vilka konstruktioner och funktioner kommer nu att vara möjliga som inte var möjliga tidigare? Vilka aspekter kan förbättras eftersom begränsningar eller leveransförseningar har eliminerats?

Till exempel kommer 3D-utskrift inom flyg- och fordonsindustrin oftast att användas för att öka prestandan. Tidigare kunde man förbättra bränsleeffektiviteten hos stridsflygplan och fordon genom att minska deras vikt, men detta ledde ofta till att de blev mindre strukturellt sunda. Den nya tekniken gör det möjligt för tillverkarna att urholka en del för att göra den lättare och mer bränslesnål och att införliva interna strukturer som ger större draghållfasthet, hållbarhet och motståndskraft mot stötar. Och nya material som har större värmebeständighet och kemisk resistens kan användas på olika ställen i en produkt, efter behov.

I andra branscher kommer användningen av additiv tillverkning för mer skräddarsydda och snabbt utvecklande produkter att få konsekvenser för hur erbjudandena marknadsförs. Vad händer med konceptet med produktgenerationer – för att inte tala om den stora uppståndelsen kring en lansering – när saker och ting kan uppgraderas kontinuerligt under på varandra följande utskrifter i stället för i de kvantsprång som krävs på grund av de högre verktygskostnaderna och inställningstiderna för konventionell tillverkning? Föreställ er en nära framtid där molnbaserad artificiell intelligens förstärker den additiva tillverkningens förmåga att ändra eller lägga till produkter omedelbart utan att behöva omarbeta. Ändringar i realtid i produktstrategin, t.ex. produktmix och designbeslut, skulle bli möjliga. Med en sådan snabb anpassning, vilka nya fördelar skulle vara kärnan i varumärkeslöftena? Och hur skulle marknadsavdelningarna kunna förhindra att varumärket glider bort utan att förlora försäljning?

Drift, omoptimerad.

Driftsstrategi omfattar alla frågor om hur ett företag ska köpa, tillverka, förflytta och sälja varor. Svaren kommer att bli mycket annorlunda med additiv tillverkning. Större operativ effektivitet är alltid ett mål, men det kan uppnås på många olika sätt. I dag gör de flesta företag som överväger att använda tekniken en fragmentarisk ekonomisk analys av riktade möjligheter att byta in 3D-utrustning och 3D-konstruktioner där detta kan minska de direkta kostnaderna. Mycket större vinster kommer de att göra när de breddar sina analyser och tar hänsyn till den totala kostnaden för tillverkning och omkostnader.

Hur mycket kan man spara genom att skära bort monteringsstegen? Eller genom att minska lagren genom att endast producera efter den faktiska efterfrågan? Eller genom att sälja på olika sätt – t.ex. direkt till konsumenterna via gränssnitt som gör det möjligt för dem att ange vilken konfiguration som helst? I en hybridvärld med gamla och nya tillverkningsmetoder kommer producenterna att ha många fler alternativ; de kommer att behöva bestämma vilka komponenter eller produkter som ska övergå till additiv tillverkning och i vilken ordning.

Det kommer att uppstå ytterligare frågor kring anläggningarnas placering. Hur nära bör de ligga till vilka kunder? Hur kan mycket skräddarsydda beställningar levereras lika effektivt som de tillverkas? Ska utskriften centraliseras i fabriker eller spridas i ett nätverk av skrivare hos distributörer, återförsäljare, på lastbilar eller till och med i kundernas anläggningar? Kanske allt detta. Svaren kommer att ändras i realtid och anpassas till förändringar i valutaväxling, arbetskostnader, skrivarens effektivitet och kapacitet, materialkostnader, energikostnader och fraktkostnader.

En kortare reseavstånd för produkter eller delar sparar inte bara pengar, utan också tid. Om du någonsin har varit tvungen att lämna ditt fordon på en verkstad medan mekanikern väntar på en reservdel, kommer du att uppskatta detta. BMW och Honda, bland andra biltillverkare, går över till additiv tillverkning av många industriverktyg och slutanvändbara bildelar i sina fabriker och återförsäljare – särskilt när nya metall-, komposit- och kolfibermaterial blir tillgängliga för användning i 3D-skrivare. Distributörer inom många branscher uppmärksammar detta och är angelägna om att hjälpa sina företagskunder att dra nytta av de nya effektivitetsvinsterna. UPS, till exempel, bygger på sin befintliga tredjepartslogistikverksamhet för att förvandla sina lager på flygplatserna till minifabriker. Tanken är att producera och leverera skräddarsydda delar till kunderna efter behov, i stället för att ägna stora hyllor åt stora lager. Om vi redan lever i en värld av just-in-time-lagerhantering ser vi nu hur just-in-time saker och ting kan bli. Välkommen till omedelbar lagerhantering.

Med tanke på alla de potentiella effektivitetsvinster som högintegrerad additiv tillverkning kan affärsprocessförvaltningen faktiskt bli den viktigaste förmågan som finns. Vissa företag som utmärker sig på detta område kommer att bygga upp egna samordningssystem för att säkra konkurrensfördelar. Andra kommer att anta och hjälpa till att utforma standardpaket som skapats av stora mjukvaruföretag.

Ekosystem, omkonfigurerade.

Slutligt kommer frågan om var och hur företaget passar in i den bredare affärsmiljön. Här tar cheferna itu med frågorna ”Vem är vi?” och ”Vad måste vi äga för att vara de vi är?”. I takt med att additiv tillverkning gör det möjligt för företag att skaffa skrivare som kan tillverka många produkter, och i takt med att outnyttjad kapacitet byts ut mot andra företag som erbjuder olika produkter, kommer svaren på dessa frågor att bli mycket mer oklara. Anta att du har rader av skrivare i din anläggning som tillverkar bildelar ena dagen, militär utrustning nästa dag och leksaker nästa dag. Vilken bransch är du en del av? Traditionella gränser kommer att suddas ut. Ändå behöver cheferna en stark känsla för företagets roll i världen för att kunna fatta beslut om vilka tillgångar de ska investera i eller avyttra.

De kanske upptäcker att deras organisationer utvecklas till något helt annat än vad de har varit. När företagen befrias från många av de logistiska kraven för standardtillverkning kommer de att behöva se på nytt på värdet av sin kapacitet och andra tillgångar och hur dessa kompletterar eller konkurrerar med andras kapacitet.

Plattformsmöjligheten

En position i ekosystemet kommer att visa sig vara den mest centrala och kraftfulla – och detta faktum har inte undgått ledningsgrupperna hos de största aktörerna som redan är verksamma inom additiv tillverkning, t.ex. eBay, IBM, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys och 3D Systems. Många tävlar om att utveckla de plattformar som andra företag kommer att bygga och ansluta sig till. De vet att rollen som plattformsleverantör är det största strategiska mål de kan eftersträva och att det fortfarande är mycket att vinna.

Plattformar är ett framträdande inslag på högt digitaliserade 2000-talsmarknader, och additiv tillverkning kommer inte att vara något undantag. Här kommer plattformsägare att vara mäktiga eftersom själva produktionen sannolikt kommer att spela mindre roll med tiden. Vissa företag håller redan på att inrätta ”skrivargårdar” på kontraktsbasis som i praktiken kommer att göra tillverkning av produkter på begäran till en handelsvara. Till och med värdefulla konstruktioner för utskrivbara produkter kommer att vara svåra att hålla fast vid, eftersom de är rent digitala och lätta att dela med sig av. (För övrigt kommer 3D-skanningsapparater att göra det möjligt att göra produkter bakåtkompilerade genom att registrera deras geometriska designinformation.)

Alla i systemet kommer att ha ett intresse av att upprätthålla de plattformar på vilka produktionen är dynamiskt organiserad, ritningar lagras och kontinuerligt förbättras, råvarutillgångar övervakas och köps in, och kundbeställningar tas emot. De som kontrollerar det digitala ekosystemet kommer att sitta mitt i en enorm mängd industriella transaktioner och samla in och sälja värdefull information. De kommer att ägna sig åt arbitrage och dela upp arbetet mellan betrodda parter eller tilldela det internt när det är lämpligt. De kommer att handla med skrivarkapacitet och konstruktioner över hela världen och påverka priserna genom att kontrollera eller styra om ”affärsflödet” för båda. I likhet med arbitrageörer inom råvaruhandeln kommer de att finansiera affärer eller köpa lågt och sälja högt med hjälp av den asymmetriska information som de får genom att övervaka miljontals transaktioner.

Respektive ansvaret för att anpassa den spridda kapaciteten till den ökande efterfrågan på marknaden kommer att falla på ett litet antal företag – och om hela systemet ska fungera effektivt måste några av dem ta sig an uppgiften. Se upp för att analoger till Google, eBay, Match.com och Amazon kommer att dyka upp som sökmotorer, utbytesplattformar, märkesmarknadsplatser och matchmakers bland skrivare, konstruktörer och konstruktionsregister för additiv tillverkning. Kanske kommer till och med automatiserad handel att uppstå, tillsammans med marknader för handel med derivat eller terminer på skrivarkapacitet och konstruktioner.

I huvudsak kommer alltså ägarna av skrivarbaserade tillverkningstillgångar att konkurrera med ägarna av information om de vinster som genereras av ekosystemet. Och på ganska kort tid kommer makten att flyttas från producenterna till stora systemintegratörer, som kommer att inrätta varumärkesbaserade plattformar med gemensamma standarder för att samordna och stödja systemet. De kommer att främja innovation genom open sourcing och genom att förvärva eller samarbeta med mindre företag som uppfyller höga kvalitetskrav. Små företag kan fortsätta att prova intressanta nya tillvägagångssätt på marginalen – men vi kommer att behöva stora organisationer som övervakar experimenten och sedan driver på dem så att de blir praktiska och skalbara.

Digital historia replikerad

När man tänker på den pågående revolutionen inom additiv tillverkning är det svårt att inte reflektera över den stora omvälvande tekniken, Internet. När det gäller den senares historia kan det vara rättvist att säga att additiv tillverkning bara är 1995. Hype-nivåerna var höga det året, men ingen kunde föreställa sig hur handeln och livet skulle förändras under det kommande decenniet, med ankomsten av Wi-Fi, smartphones och molntjänster. Få förutsåg den dag då internetbaserad artificiell intelligens och mjukvarusystem skulle kunna driva fabriker – och till och med stadens infrastrukturer – bättre än vad människor skulle kunna göra.

Framtiden för additiv tillverkning kommer att innebära liknande överraskningar som kan se helt logiska ut i efterhand, men som är svåra att föreställa sig i dag. Föreställ er hur nya, mycket kapabla skrivare kan komma att ersätta högkvalificerad arbetskraft, vilket kan leda till att hela företag och till och med tillverkningsbaserade länder övergår till produktion utan människor. I ”maskinorganisationer” skulle människor kanske bara arbeta för att serva skrivarna.

Och den framtiden kommer att komma snabbt. När företagen väl sätter en tå i vattnet och upplever fördelarna med större tillverkningsflexibilitet tenderar de att dyka djupt ner. I takt med att materialvetenskapen skapar fler utskrivbara ämnen kommer fler tillverkare och produkter att följa efter. Local Motors visade nyligen att de kan skriva ut en snygg roadster, inklusive hjul, chassi, kaross, tak, interiör, säten och instrumentbräda, men ännu inte drivlina, från botten till toppen på 48 timmar. När den går i produktion kommer roadstern, inklusive drivlina, att kosta cirka 20 000 dollar. I takt med att kostnaderna för 3D-utrustning och material sjunker blir de traditionella metodernas återstående fördelar i form av stordriftsfördelar en mindre faktor.

Här är vad vi med tillförsikt kan förvänta oss: Inom de närmaste fem åren kommer vi att ha fullt automatiserade additiva tillverkningssystem med hög hastighet och stora kvantiteter som är ekonomiska även för standardiserade delar. På grund av flexibiliteten hos dessa system kommer sedan kundanpassning eller fragmentering inom många produktkategorier att ta fart, vilket ytterligare kommer att minska den konventionella massproduktionens marknadsandelar.

Smarta företagsledare väntar inte på att alla detaljer och eventualiteter ska avslöja sig själva. De ser tillräckligt tydligt att utvecklingen av additiv tillverkning kommer att förändra hur produkter utformas, tillverkas, köps och levereras. De tar de första stegen i omformningen av tillverkningssystemen. De har en föreställning om vilka krav de kommer att ställa på det framväxande ekosystemet. De fattar de många lager av beslut som kommer att ge fördelar i en ny värld av 3D-utskrifter.