NSFD: design for manufacture & assembly in de 21 e eeuw

Waarom 3D printen we niet gewoon alles?

Tegenwoordig is er een enorme variëteit aan 3D print processen beschikbaar. De technologie vindt ook legio toepassingen, van rapid prototyping tot kleinserieproductie, plus allerlei hybride oplossingen. En toch… wordt het overgrote merendeel van alle producten nog steeds niet geprint. Waarom niet?

Artikel: Erik Tempelman, TU Delft Industrieel Ontwerpen

1. Inleiding

In 1987 gebeurde er iets bijzonders. Dat was namelijk het jaar waarin we voor het eerst een 3D printer konden kopen. Figuur 1 toont de uitvinder, Charles ‘Chuck’ Hull, met wat hij toen een Stereo Lithography Apparatus noemde - afgekort ‘SLA’. Twee jaar later zou Scott Crump een ander 3D printproces op de markt brengen onder de naam Fused Deposition Modelling (FDM). Het werk van deze pioniers leidde tot de bedrijven 3D Systems en Stratasys, nog steeds grote spelers in de 3D printwereld.

SLA werkt met thermoharders, FDM met thermoplasten. De printtechniek voor deze materialen gaat dus al drie decennia mee! Maar ook metalen worden al langer geprint dan men veelal denkt: Selective Laser Sintering (SLS) werd in de jaren ’80 ontwikkeld, en daar kun je behalve plastics ook metalen mee verwerken - al geeft Selective Laser Melting (SLM) dan betere resultaten. SLM op zijn beurt stamt uit 1995 en is dus eveneens een volwassen technologie.

Tegenwoordig is er een enorme variëteit aan processen beschikbaar. De technologie vindt ook legio toepassingen, van rapid prototyping tot kleinserieproductie, plus allerlei hybride oplossingen, zoals het printen van jigs, tools & fixtures voor het ondersteunen van assemblagewerk. 3D printen, in 1987 nog revolutionair, is nu een gevestigd proces voor de maakindustrie.

En toch… wordt het overgrote merendeel van alle producten nog steeds niet geprint. Spuitgieten, plaatvervormen, verspanen, verbinden enzovoorts zijn nog altijd de echte motor van de industriële productie. Aangezien verdere ontwikkeling in het 3D printen evolutionair zal zijn, dus zonder de ‘r’, zullen deze traditionele processen hun dominante positie behouden. Bedenk hierbij dat bijvoorbeeld spuitgieten zelf ook voortdurend wordt verbeterd. 1 Per saldo is 3D printen daardoor gewoon te duur en de specifieke voordelen 2 zijn alleen in bepaalde markten van toepassing - zoals de luchtvaart, medische toepassingen, reparatiewerk, of combinaties van vorm en materiaal die voor andere processen slecht geschikt zijn. Maar laten we eens bezien wat design for manufacture and assembly eigenlijk inhoudt.

Figuur 2: de ‘productiedriehoek’ Bij de maakdelen komt er dan een volgende afweging kijken. Gegeven bepaalde functionele eisen aangaande vorm, materiaal en seriegrootte is een onderdeel doorgaans op meerdere manieren te maken. Sommigen zijn goedkoop, maar kwalitatief minder; anderen zijn duurder maar beter. We bevinden ons hier in een spanningsveld tussen functie, kosten en kwaliteit.

2. DFMA: de kunst en kunde van het afwegen

Wie een product van enige complexiteit wil ontwerpen, moet allereerst een besluit nemen over de lay-out c.q. ‘architectuur’ ervan. Wat zijn de belangrijkste onderdelen en hoe komen ze ruimtelijk gezien bij elkaar? De keuze gaat dan tussen modulair en integraal. Bij een modulaire lay-out zijn de onderdelen niet geoptimaliseerd voor een specifiek eindproduct, maar staan ten dienste van een aantal varianten daarvan. Tegenover dit nadeel staan extra voordelen zoals lagere investeringen voor de gezamenlijke productvarianten en betere geschiktheid voor reparatie, upgrading en hergebruik. In een integraal product is, theoretisch gezien, wél elk onderdeel toegesneden op een specifiek eindproduct. Hierna volgt, voor vrijwel elk product, de make or buy decision: maken… of kopen? Deze beslissing vraagt een kundige afweging. Kunstig ook, want niet alle factoren zijn objectief in spreadsheets te vangen. Intuïtie en persoonlijk inzicht komt er zeker ook bij kijken, net als de geschiedenis en voorkeuren van de OEM in kwestie.

Figuur 2 illustreert deze afweging. Merk op dat er niet alleen tussen de drie ‘hoeken’ spanning staat, maar vaak ook binnen een enkele hoek zelf: zo kan langer optimaliseren de stuksprijs verlagen, maar ten koste van een langere doorlooptijd. Alles is te produceren, maar tegen welke kosten, en met welke kwaliteit? Deze afweging vormt het werkelijke hart van DFMA. Voor de koopdelen geldt de afweging tussen functie, prijs en kwaliteit uiteraard ook.

3. Een hiërarchie van productieprocessen

Om structuur te brengen in alle beschikbare informatie is de reeds gepresenteerde productiedriehoek een goed hulpmiddel. We komen een stap verder met de volgende hiërarchie in de processen:

• Het productie principe: wat is er fysisch c.q. materiaalkundig gezien aan de hand?

• De productie methode: hoe wordt het proces doorgaans technisch gezien ingericht?

• De productie middelen: hoe is het proces uitgevoerd op het niveau van de machines?

Figuur 3: de hiërarchie van productieprocessen (voorbeeld metaalgieten)

Dit simpele schema (zie Figuur 3) is een nuttig hulpmiddel, al was het maar om te zien wat een bepaalde leverancier eigenlijk bedoelt met de zo vaak gehoorde opmerking ‘dat kan niet!’. Er is immers een wezenlijk verschil tussen ‘dat kunnen wij niet’ en ‘dat kan echt niet’. Wacht u overigens niet te lang om een leverancier te selecteren. Early supplier involvement is namelijk vaak een sleutel tot DFMA-succes, zeker als de time-to-market een belangrijke factor is in de ontwikkeling.

4. 3D printen of niet? De kosten vergeleken

Wat vaak wordt onderschat, is de doorslaggevende rol van kosten in de industriële productie. Dat is jammer, want de onderliggende systematiek is belangrijk en relatief eenvoudig. De integrale productiekosten Kint voor een onderdeel of product schikken zich altijd naar de volgende formule:

Kint = Kmat + Kinv/N + dKm&m/dN + Kv&p

Hierin staat Kmat voor de materiaalkosten per product en Kinv voor de kosten van alle product-specifieke investeringen, zoals matrijzen. Deze kostenpost wordt gedeeld door het aantal producten N dat we gaan maken. De derde term dKm&m/dN omvat de kosten van de mensen en machines die nodig zijn voor de productie, afgeleid naar het aantal producten in de tijd. Een voorbeeld: als u een kleine spuitgietmachine gebruikt die per uur € 15,= kost en die volautomatisch 60 producten per uur kan maken, dan krijgt u dKm&m/dN = 0,25 €. Hebt u een operator nodig, dan kunt u in Nederland beginnen bij zo’n € 20/uur en werkt de systematiek op vergelijkbare wijze door. De laatste term omvat de kosten van verpakken en transport, Kv&p.

De formule verklaart waarom we voor serieproductie niet vaak kiezen voor 3D printen. Ja, u hebt geen investeringen, maar professionele FDM of SLA printers die een goede kwaliteit leveren, kosten tienduizenden euro’s en hebben uren nodig voor een typisch product. De machinekosten rijzen dan de pan uit - al helemaal bij SLS/SLM printers van enkele tonnen. Daarbij vergeleken zijn de machinekosten van snelle processen als spuitgieten of smeden, uitgedrukt per product, bescheiden. En, de benodigde investeringen worden doorgaans over zoveel producten afgeschreven dat ze niet meer dan 10-20% van de integrale productiekosten voor hun rekening nemen.

Deze vergelijking is uiteraard slechts globaal. 3 Specifieke voordelen van 3D printen, zoals de potentie om lokaal te produceren en transportkosten te sparen, zijn nog niet meegenomen – maar deze kosten zijn doorgaans laag. Daardoor blijft de techniek voorbehouden aan markten waar bijvoorbeeld de hoge vormvrijheid of optie tot customizing de doorslag geven.

En, de integrale productiekosten zijn slechts een deel van de uiteindelijke verkoopprijs. Import/exportheffingen, marges van importeur, groothandel en detailhandel, BTW en natuurlijk de eigen winstmarge van de OEM laten gezamenlijk die Kint zo’n 3-4 maal “over de kop” gaan. De DFMA-ontwerper doet er dan ook goed aan om kritisch te bezien hoe die waardeketen verkort kan worden, want daar is veel te behalen.

5. Tot besluit

Ook in de 21 e eeuw is er plek voor de traditionele maakprocessen! In het vakblad Constructeur komen ze in de loop van 2021 één voor één aan bod. Suggesties voor inhoud kun je kwijt bij de auteur via e.tempelman@tudelft.nl