De revolutie van 3D-printen

De revolutie van 3D-printen

Industrieel 3D-printen staat op een keerpunt en staat op het punt om op grote schaal te worden toegepast. De meeste leidinggevenden en veel ingenieurs beseffen het niet, maar deze technologie is veel verder gegaan dan prototyping, rapid tooling, prullaria en speelgoed. “Additive manufacturing” is het creëren van duurzame en veilige producten voor verkoop aan echte klanten in matige tot grote hoeveelheden.

Het begin van de revolutie blijkt uit een PwC-enquête uit 2014 onder meer dan 100 productiebedrijven. Ten tijde van het onderzoek was 11% al overgeschakeld op volumeproductie van 3D-geprinte onderdelen of producten. Volgens analisten van Gartner is een technologie “mainstream” wanneer deze een adoptieniveau van 20% bereikt.

Onder de talrijke bedrijven die 3D-printing gebruiken om de productie op te voeren zijn GE (straalmotoren, medische apparatuur en onderdelen voor huishoudelijke apparaten), Lockheed Martin en Boeing (lucht- en ruimtevaart en defensie), Aurora Flight Sciences (onbemande luchtvaartuigen), Invisalign (tandheelkundige apparatuur), Google (consumentenelektronica), en het Nederlandse bedrijf LUXeXcel (lenzen voor lichtemitterende diodes, of LED’s). Gezien deze ontwikkelingen meldde McKinsey onlangs dat 3D-printen “klaar is om uit zijn nichestatus te komen en een levensvatbaar alternatief te worden voor conventionele fabricageprocessen in een toenemend aantal toepassingen”. In 2014 bedroeg de verkoop van industriële 3D-printers in de Verenigde Staten al een derde van het volume van de verkoop van industriële automatisering en robotica. Volgens sommige prognoses stijgt dat cijfer tot 42% in 2020.

Meer bedrijven zullen volgen naarmate het scala aan printbare materialen zich blijft uitbreiden. Naast basiskunststoffen en fotogevoelige harsen, omvatten deze reeds keramiek, cement, glas, talrijke metalen en metaallegeringen, en nieuwe thermoplastische composieten doordrenkt met koolstofnanobuisjes en -vezels. Superieure economische prestaties zullen uiteindelijk de achterblijvers over de streep trekken. Hoewel de directe kosten van het produceren van goederen met deze nieuwe methoden en materialen vaak hoger zijn, betekent de grotere flexibiliteit die door additive manufacturing wordt geboden dat de totale kosten aanzienlijk lager kunnen zijn.

Met deze revolutionaire verschuiving die al aan de gang is, moeten managers zich nu bezighouden met strategische vragen op drie niveaus:

Ten eerste moeten verkopers van tastbare producten zich afvragen hoe hun aanbod kan worden verbeterd, hetzij door henzelf of door concurrenten. Fabricage van een object laag voor laag, volgens een digitale “blauwdruk” gedownload naar een printer, maakt niet alleen onbeperkte maatwerk mogelijk, maar ook ontwerpen van grotere complexiteit.

Tweede, industriële ondernemingen moeten hun activiteiten herzien. Als additive manufacturing creëert talloze nieuwe opties voor hoe, wanneer en waar producten en onderdelen worden vervaardigd, welk netwerk van supply chain-activa en welke mix van oude en nieuwe processen zal optimaal zijn?

Derde, leiders moeten nadenken over de strategische implicaties als hele commerciële ecosystemen beginnen te vormen rond de nieuwe realiteiten van 3-D printen. Er is veel gesproken over het potentieel voor grote delen van de productiesector om te atomiseren in een onnoemelijk aantal kleine “makers”. Maar die visie neigt ertoe een zekerdere en belangrijkere ontwikkeling te verdoezelen: Om de integratie van activiteiten tussen ontwerpers, makers en transporteurs van goederen mogelijk te maken, zullen digitale platforms tot stand moeten worden gebracht. In het begin zullen deze platforms design-to-print activiteiten en het delen en snel downloaden van ontwerpen mogelijk maken. Spoedig zullen zij onder meer printeractiviteiten, kwaliteitscontrole, real-time optimalisatie van printernetwerken en capaciteitsuitwisselingen orkestreren. De meest succesvolle platformaanbieders zullen het erg goed doen door normen op te stellen en de randvoorwaarden te bieden waarbinnen een complex ecosysteem de reacties op de marktvraag kan coördineren. Maar elk bedrijf zal door de opkomst van deze platforms worden beïnvloed. Er zal veel strijd zijn tussen gevestigde bedrijven en nieuwkomers om aandelen te veroveren van de enorme waarde die deze nieuwe technologie zal creëren.

Deze vragen vormen samen een aanzienlijke hoeveelheid strategisch denkwerk, en er blijft er nog één over: Hoe snel zal dit alles gebeuren? Voor een bepaald bedrijf, hier is hoe snel het kan gebeuren: De Amerikaanse hoortoestelindustrie schakelde over op 100% additieve productie in minder dan 500 dagen, volgens een CEO uit de industrie, en niet één bedrijf dat vasthield aan traditionele productiemethoden overleefde. Managers zullen moeten bepalen of het verstandig is om te wachten tot deze snel evoluerende technologie is uitgerijpt alvorens bepaalde investeringen te doen, of dat het risico van wachten te groot is. Hun antwoorden zullen verschillen, maar voor allen lijkt het veilig te zeggen dat de tijd voor strategisch denken nu is aangebroken.

De voordelen van additieven

Het is misschien moeilijk voor te stellen dat deze technologie de huidige standaardmanieren om dingen in grote hoeveelheden te maken, zal verdringen. Traditionele spuitgietmachines, bijvoorbeeld, kunnen duizenden widgets per uur uitspuwen. Daarentegen vinden mensen die 3D-printers in actie hebben gezien op de hobbymarkt de laag-voor-laag aanmaak van objecten vaak komisch traag. Maar recente vorderingen in de technologie veranderen dat drastisch in industriële omgevingen.

Sommigen vergeten misschien waarom standaard fabricage met zo’n indrukwekkende snelheid plaatsvindt. Die widgets vloeien snel uit, omdat vooraf zwaar is geïnvesteerd in de complexe reeks gereedschapsmachines en apparatuur die nodig is om ze te produceren. De eerste eenheid is extreem duur om te maken, maar naarmate identieke eenheden volgen, dalen hun marginale kosten.

Toevoegbare fabricage biedt niets van die schaalvoordelen. Maar het vermijdt het nadeel van standaard productie-een gebrek aan flexibiliteit. Omdat elke eenheid onafhankelijk wordt gebouwd, kan deze gemakkelijk worden aangepast aan unieke behoeften of, in bredere zin, aan verbeteringen of veranderende mode. En het opzetten van het productiesysteem is veel eenvoudiger, omdat het veel minder stappen omvat. Daarom is 3D-printen zo waardevol gebleken voor de productie van eenmalige producten zoals prototypes en zeldzame vervangingsonderdelen. Maar ook op grotere schaal is additieve vervaardiging steeds zinvoller. Kopers kunnen kiezen uit eindeloze combinaties van vormen, maten en kleuren, en dit maatwerk voegt weinig toe aan de kosten van een fabrikant, zelfs als orders massaproductieniveaus bereiken.

Een groot deel van het additieve voordeel is dat stukken die vroeger afzonderlijk werden gegoten en vervolgens geassembleerd, nu als één stuk in één run kunnen worden geproduceerd. Een eenvoudig voorbeeld is een zonnebril: Het 3D-proces maakt het mogelijk de poreusheid en het mengsel van kunststoffen te variëren in verschillende delen van het montuur. De oorstukjes zijn zacht en flexibel, terwijl de randen die de glazen vasthouden hard zijn. Er is geen assemblage nodig.

Door onderdelen en producten te printen kunnen ze ook worden ontworpen met complexere architecturen, zoals honingraatvorming in stalen panelen of geometrieën die voorheen te fijn waren om te frezen. Complexe mechanische onderdelen, bijvoorbeeld een set tandwielen in een behuizing, kunnen zonder assemblage worden gemaakt. Additieve methoden kunnen worden gebruikt om onderdelen te combineren en veel meer inwendige detaillering te genereren. Daarom is GE Aviation overgeschakeld op het printen van de brandstofsproeiers van bepaalde straalmotoren. Het bedrijf verwacht er meer dan 45.000 per jaar van hetzelfde ontwerp te produceren, dus men zou kunnen veronderstellen dat conventionele fabricagemethoden geschikter zouden zijn. Maar dankzij de printtechnologie kan een straalpijp die vroeger uit 20 afzonderlijk gegoten onderdelen werd samengesteld, nu uit één stuk worden vervaardigd. GE zegt dat dit de fabricagekosten met 75% zal doen dalen.

Toevoegbare fabricage kan ook meerdere printerstralen gebruiken om verschillende materialen tegelijk neer te leggen. Zo ontwikkelen Optomec en andere bedrijven geleidende materialen en methoden om microbatterijen en elektronische schakelingen rechtstreeks in of op het oppervlak van elektronische consumentenapparatuur te printen. Bijkomende toepassingen zijn onder meer medische apparatuur, transportmiddelen, ruimtevaartonderdelen, meetapparatuur, telecominfrastructuur en vele andere “slimme” dingen.

De enorme aantrekkingskracht van het beperken van assemblagewerk drijft apparatuur voor additieve fabricage ertoe om steeds groter te worden. In het huidige uiterste geval werken het Amerikaanse ministerie van Defensie, Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel en Oak Ridge National Laboratory samen om een vermogen te ontwikkelen voor het printen van het grootste deel van het endo- en exoskelet van straaljagers, inclusief de romp, vleugels, interne structurele panelen, ingebedde bedrading en antennes, en binnenkort de centrale dragende structuur. Zogenaamde “big area additive manufacturing” maakt de fabricage van dergelijke grote objecten mogelijk door gebruik te maken van een reusachtig portaal met computergestuurde besturing om de printers in positie te brengen. Wanneer dit proces voor gebruik is gecertificeerd, zal de enige vereiste assemblage bestaan uit de installatie van plug-and-play elektronicamodules voor navigatie, communicatie, bewapening en elektronische tegenmaatregelen in baaien die tijdens het printproces worden gecreëerd. In Irak en Afghanistan heeft het Amerikaanse leger gebruik gemaakt van drones van Aurora Flight Sciences, die het hele lichaam van deze onbemande luchtvaartuigen – sommige met een spanwijdte van 2 meter – in één keer print.

Three-Dimensional Strategy

Deze korte bespreking van de voordelen van additive manufacturing geeft aan hoe snel bedrijven de technologie zullen omarmen – en extra besparingen in inventaris, verzending en faciliteitskosten zullen de zaak nog sterker maken. De duidelijke implicatie is dat managers in bedrijven van alle soorten zouden moeten werken om te anticiperen hoe hun bedrijven zich op de drie bovengenoemde strategische niveaus zullen aanpassen.

Aanbiedingen, herontworpen.

Productstrategie is het antwoord op die meest fundamentele vraag in zaken, Wat zullen wij verkopen? Bedrijven zullen zich moeten voorstellen hoe hun klanten beter kunnen worden bediend in een tijdperk van additieve vervaardiging. Welke ontwerpen en eigenschappen zullen nu mogelijk zijn die vroeger niet mogelijk waren? Welke aspecten kunnen worden verbeterd doordat beperkingen of leveringsvertragingen zijn weggenomen?

In de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie zal 3D-printing bijvoorbeeld het vaakst worden gebruikt bij het streven naar prestatieverbeteringen. Voorheen kon de brandstofefficiëntie van straaljagers en voertuigen worden verbeterd door hun gewicht te verminderen, maar dit maakte ze vaak minder structureel gezond. Met de nieuwe technologie kunnen fabrikanten een onderdeel uithollen om het lichter en brandstofefficiënter te maken en interne structuren inbouwen die een grotere treksterkte, duurzaamheid en schokbestendigheid bieden. En nieuwe materialen met een grotere hittebestendigheid en chemische weerstand kunnen naar behoefte op verschillende plaatsen in een product worden gebruikt.

In andere industrieën zal het gebruik van additieve vervaardiging voor meer op maat gemaakte en snel evoluerende producten gevolgen hebben voor de manier waarop aanbiedingen op de markt worden gebracht. Wat gebeurt er met het concept van productgeneraties – laat staan de hoop rond een lancering – wanneer dingen voortdurend kunnen worden geüpgraded tijdens opeenvolgende afdrukken in plaats van in de kwantumsprongen die vereist zijn door de hogere gereedschapskosten en insteltijden van conventionele productie? Stelt u zich eens een nabije toekomst voor waarin kunstmatige intelligentie in de cloud het vermogen van additieve productie vergroot om producten onmiddellijk te veranderen of toe te voegen zonder ze opnieuw te hoeven bewerken. Real-time veranderingen in productstrategie, zoals productmix en ontwerpbeslissingen, zouden mogelijk worden. Welke nieuwe voordelen zouden bij een dergelijke snelle aanpassing de kern moeten vormen van merkbeloften? En hoe kunnen marketingafdelingen merkdrift voorkomen zonder omzetverlies?

Operations, reoptimized.

Operations strategy includes all the questions of how a company will buy, make, move, and sell goods. De antwoorden zullen heel anders zijn met additieve vervaardiging. Grotere operationele efficiëntie is altijd een doel, maar het kan op vele manieren worden bereikt. Momenteel voeren de meeste bedrijven die het gebruik van de technologie overwegen, een versnipperde financiële analyse uit van gerichte mogelijkheden om 3-D-apparatuur en -ontwerpen in te zetten waar die de directe kosten kunnen drukken. Veel grotere winsten zullen worden behaald wanneer zij hun analyses uitbreiden tot de totale kosten van fabricage en overhead.

Hoeveel zou kunnen worden bespaard door assemblagestappen te schrappen? Of door de voorraden te verkleinen door alleen te produceren op basis van de werkelijke vraag? Of door op verschillende manieren te verkopen – bijvoorbeeld rechtstreeks aan de consument via interfaces die hem in staat stellen elke gewenste configuratie te specificeren? In een hybride wereld van oude en nieuwe fabricagemethoden zullen producenten veel meer opties hebben; zij zullen moeten beslissen welke onderdelen of producten op additieve fabricage overgaan, en in welke volgorde.

Extra vragen zullen rijzen rond de locaties van de faciliteiten. Hoe dicht moeten zij bij welke klanten zijn? Hoe kunnen sterk aangepaste orders even efficiënt worden geleverd als ze worden geproduceerd? Moet het printen worden gecentraliseerd in fabrieken of verspreid in een netwerk van printers bij distributeurs, bij detailhandelaren, op vrachtwagens, of zelfs in de faciliteiten van klanten? Misschien wel alle bovenstaande. De antwoorden zullen in real time veranderen, zich aanpassend aan verschuivingen in buitenlandse valuta, arbeidskosten, printerefficiency en -capaciteiten, materiaalkosten, energiekosten, en verzendkosten.

Een kortere reisafstand voor producten of onderdelen bespaart niet alleen geld; het bespaart tijd. Als u ooit gedwongen bent geweest om uw voertuig bij een reparatiewerkplaats achter te laten terwijl de monteur op een onderdeel wacht, zult u dat waarderen. BMW en Honda, maar ook andere autofabrikanten, gaan in hun fabrieken en dealers over tot de additieve productie van veel industriële werktuigen en auto-onderdelen voor eindgebruik, vooral omdat er nieuwe metalen, composietkunststoffen en koolstofvezelmaterialen beschikbaar komen voor gebruik in 3D-printers. Distributeurs in vele sectoren nemen hier nota van en staan te popelen om hun zakelijke klanten te helpen voordeel te halen uit de nieuwe efficiëntie. UPS, bijvoorbeeld, bouwt voort op zijn bestaande logistieke activiteiten voor derden om zijn luchthavenmagazijnen om te vormen tot minifabrieken. Het idee is om op maat gemaakte onderdelen te produceren en te leveren aan klanten wanneer dat nodig is, in plaats van hectaren rekken te wijden aan enorme voorraden. Als we al leven in een wereld van just-in-time voorraadbeheer, dan zien we nu hoe JIT kan worden. Welkom bij onmiddellijk voorraadbeheer.

Inderdaad, gezien alle potentiële efficiencyverbeteringen van sterk geïntegreerde additieve productie, kan bedrijfsprocesbeheer wel eens de belangrijkste vaardigheid worden die er is. Sommige bedrijven die op dit gebied uitblinken, zullen eigen coördinatiesystemen uitbouwen om hun concurrentievoordeel veilig te stellen. Anderen zullen standaardpakketten van grote softwarebedrijven overnemen en helpen vormgeven.

Ecosystemen, opnieuw geconfigureerd.

Ten slotte komt de vraag waar en hoe de onderneming in haar bredere bedrijfsomgeving past. Hier buigen managers zich over de vraag wie we zijn en wat we moeten bezitten om te zijn wie we zijn. Naarmate additive manufacturing bedrijven in staat stelt printers te verwerven die veel producten kunnen maken, en naarmate ongebruikte capaciteit wordt verhandeld met anderen die verschillende producten aanbieden, zullen de antwoorden op die vragen veel minder duidelijk worden. Stel dat u in uw bedrijf rijen printers heeft staan die de ene dag auto-onderdelen maken, de volgende dag militaire apparatuur, en de volgende dag speelgoed. Tot welke bedrijfstak behoort u? Traditionele grenzen zullen vervagen. Toch hebben managers een sterk gevoel nodig van de rol van het bedrijf in de wereld om beslissingen te kunnen nemen over de activa waarin ze zullen investeren of waarvan ze zich zullen ontdoen.

Hij kan merken dat zijn organisatie zich ontwikkelt tot iets heel anders dan wat het is geweest. Aangezien de bedrijven van veel van de logistieke vereisten van standaardproductie worden bevrijd, zullen zij opnieuw naar de waarde van hun capaciteiten en andere activa moeten kijken en hoe die aanvullen of met de capaciteiten van anderen concurreren.

The Platform Opportunity

Een positie in het ecosysteem zal de meest centrale en krachtige blijken te zijn – en dit feit is niet verloren gegaan aan de managementteams van de grootste spelers die zich al bezighouden met additive manufacturing, zoals eBay, IBM, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys, en 3D Systems. Velen wedijveren om de platforms te ontwikkelen waarop andere bedrijven zullen bouwen en aansluiten. Zij weten dat de rol van platformleverancier het grootste strategische doel is dat zij kunnen nastreven en dat het nog steeds zeer voor het grijpen ligt.

Platforms zijn een prominent kenmerk in sterk gedigitaliseerde 21e-eeuwse markten, en additieve productie zal geen uitzondering zijn. Hier zullen platformeigenaren machtig zijn omdat de productie zelf er na verloop van tijd waarschijnlijk minder toe zal doen. Sommige bedrijven zijn al bezig met het opzetten van “printerfarms” die het maken van producten op aanvraag effectief zullen vercommercialiseren. Zelfs de waardevolle ontwerpen voor printbare producten, die zuiver digitaal zijn en gemakkelijk kunnen worden gedeeld, zullen moeilijk zijn vast te houden. (Overigens zullen 3D-scanapparaten het mogelijk maken producten aan reverse-engineering te onderwerpen door hun geometrische ontwerpinformatie vast te leggen.)

Iedereen in het systeem zal belang hebben bij de instandhouding van de platforms waarop de productie dynamisch wordt georkestreerd, blauwdrukken worden opgeslagen en voortdurend verbeterd, voorraden grondstoffen worden gecontroleerd en ingekocht, en bestellingen van klanten worden ontvangen. Degenen die het digitale ecosysteem beheersen zullen zich te midden van een enorme hoeveelheid industriële transacties bevinden, waarbij zij waardevolle informatie verzamelen en verkopen. Zij zullen zich bezighouden met arbitrage en het werk verdelen onder vertrouwde partijen of het zo nodig intern toewijzen. Zij zullen printercapaciteit en ontwerpen over de hele wereld verhandelen en de prijzen beïnvloeden door de “deal flow” voor beide te controleren of om te buigen. Net als arbitrageurs in de grondstoffenhandel zullen zij de handel financieren of laag inkopen en hoog verkopen met de asymmetrische informatie die zij krijgen door miljoenen transacties te overzien.

De verantwoordelijkheid voor het afstemmen van de verspreide capaciteit op de groeiende marktvraag zal bij een klein aantal bedrijven komen te liggen – en als het hele systeem efficiënt wil werken, zullen sommigen er een schepje bovenop moeten doen. Google, eBay, Match.com en Amazon zullen opduiken als zoekmachines, uitwisselingsplatformen, merkmarktplaatsen en koppelaars tussen printers, ontwerpers en opslagplaatsen voor additieve vervaardiging. Misschien zal er zelfs geautomatiseerde handel ontstaan, samen met markten voor de handel in derivaten of futures op printercapaciteit en -ontwerpen.

In wezen zullen de eigenaren van op printers gebaseerde productiemiddelen dus concurreren met de eigenaren van informatie om de winsten die het ecosysteem genereert. En in vrij korte tijd zal de macht migreren van producenten naar grote systeemintegrators, die merkplatforms zullen opzetten met gemeenschappelijke normen om het systeem te coördineren en te ondersteunen. Zij zullen innovatie bevorderen door open sourcing en het overnemen van of samenwerken met kleinere bedrijven die aan hoge kwaliteitsnormen voldoen. Kleine bedrijven kunnen inderdaad in de marge interessante nieuwe benaderingen blijven uitproberen, maar we hebben grote organisaties nodig om toezicht te houden op de experimenten en ze vervolgens praktisch en schaalbaar te maken.

Digitale geschiedenis gerepliceerd

Doordacht over de zich ontwikkelende revolutie in de additieve productie, is het moeilijk om niet te denken aan die grote transformerende technologie, het internet. Wat de geschiedenis van het internet betreft, zou je kunnen zeggen dat de additieve vervaardiging pas in 1995 is ontstaan. Het hype-niveau was hoog dat jaar, maar niemand kon zich voorstellen hoe de handel en het leven zouden veranderen in het komende decennium, met de komst van Wi-Fi, smartphones en cloud computing. Weinigen voorzagen de dag dat op internet gebaseerde kunstmatige intelligentie en softwaresystemen fabrieken en zelfs stadsinfrastructuren beter zouden kunnen besturen dan mensen dat konden.

De toekomst van additieve productie zal soortgelijke verrassingen brengen die achteraf gezien misschien volstrekt logisch lijken, maar vandaag moeilijk voor te stellen zijn. Stelt u zich eens voor hoe nieuwe, zeer capabele printers hooggeschoolde arbeiders kunnen vervangen, waardoor hele bedrijven en zelfs productielanden overgaan op productie zonder mensen. In “machine-organisaties” zouden mensen alleen nog maar werken om de printers te bedienen.

En die toekomst zal snel aanbreken. Als bedrijven eenmaal een teen in het water steken en de voordelen van grotere productieflexibiliteit ervaren, hebben ze de neiging er diep in te duiken. Naarmate de materiaalwetenschap meer printbare stoffen creëert, zullen meer fabrikanten en producten volgen. Local Motors heeft onlangs laten zien dat het in 48 uur een roadster van onder tot boven kan printen, inclusief wielen, chassis, carrosserie, dak, stoelen en dashboard, maar nog niet de aandrijflijn. Wanneer de roadster, inclusief aandrijflijn, in productie wordt genomen, zal de prijs ongeveer 20.000 dollar bedragen. Naarmate de kosten van 3-D apparatuur en materialen dalen, worden de resterende schaalvoordelen van traditionele methoden een ondergeschikte factor.

Hier is wat we met een gerust hart kunnen verwachten: Binnen de komende vijf jaar zullen we volledig geautomatiseerde, hoge-snelheid, grote hoeveelheden additieve productie systemen die economisch zijn, zelfs voor gestandaardiseerde onderdelen. Dankzij de flexibiliteit van die systemen zal maatwerk of fragmentatie in veel productcategorieën een hoge vlucht nemen, waardoor het marktaandeel van conventionele massaproduktie verder zal dalen.

Slimme bedrijfsleiders wachten niet tot alle details en eventualiteiten zich openbaren. Zij zien duidelijk genoeg dat de ontwikkelingen op het gebied van additieve vervaardiging de manier zullen veranderen waarop producten worden ontworpen, gemaakt, gekocht en geleverd. Zij zetten de eerste stappen in het herontwerp van productiesystemen. Zij denken na over de eisen die zij in het opkomende ecosysteem zullen stellen. Zij nemen de vele lagen van beslissingen die zullen leiden tot voordeel in een nieuwe wereld van 3D-printen.