Mengatasi 10 Tantangan Utama Manufaktur Aditif untuk Produksi pada Tahun 2020 – Wawasan Pakar

Diperbarui pada 2020

Fleksibilitas desain, efisiensi material, dan produksi volume rendah membuat manufaktur aditif (AM) opsi yang menarik bagi banyak perusahaan. Namun, untuk sepenuhnya memanfaatkan AM dalam lingkungan produksi, beberapa hambatan harus diatasi.

Tantangan Teknologis

1. Kecepatan Produksi yang Lambat

Kecepatan tetap menjadi faktor kritis, terutama untuk industri volume tinggi seperti otomotif dan barang konsumsi. Printer 3D tradisional seringkali tertinggal di belakang manufaktur konvensional dalam throughput.

“Bagian akhir adalah throughput atau kecepatan mesin. [Otomotif] volume produksi sangat berbeda dari volume penerbangan atau medis. Jadi kita harus melihat sistem yang mampu memproduksi bagian dalam menit atau detik, bukan hari dan jam. Apa pun yang bisa kita lakukan untuk mendorong teknologi menuju kecepatan pembangunan yang lebih cepat pasti akan membantu kita juga.”

Harold Sears, Pemimpin Teknis Teknologi Manufaktur Aditif di Ford

Produsen berinvestasi besar dalam solusi kecepatan tinggi. EOS, misalnya, mengembangkan Laser Pro Fusion, yang akan menggunakan hingga 1 juta dioda laser dalam satu sistem SLS, potensialmente memotong waktu pembangunan secara dramatis. Dalam pencetakan logam, Multilevel Concurrent Printing (MCP™) Aurora Labs memungkinkan depose simultan beberapa lapisan—30 lapisan dalam satu lewat, dengan tujuan 100 lapisan tahun depan. Printer PMP1 mereka telah mencapai 350 kg/hari, peningkatan kecepatan 2000% dari tahun lalu.

Sementara teknologi ini masih dalam pengembangan, trajetur menunjukkan bahwa AM akan memenuhi kebutuhan kecepatan produksi di masa depan yang dekat.

2. Pengembangan Material dan Ketidakkonsistenan

“Industri manufaktur aditif pastinya membutuhkan solusi untuk lebih banyak material. Pencetakan 3D secara teoretis mampu menghasilkan bagian dengan kompleksitas dan fungsionalitas yang tinggi, baik itu mekanis, biologis, atau listrik. Tapi untuk mewujudkannya bergantung pada cukup banyak opsi material.”

Simon Fried, Co-founder Nano Dimension

AM telah membuat kemajuan signifikan dalam material polimer dan komposit. Perusahaan kimia besar—Arkema, BASF, DuPont—mengembangkan polimer terpelapis serid yang bersaing dengan kekuatan logam. Markforged memperkenalkan Onyx FR, komposit tahan api pertama untuk AM. Bahan baku logam juga mengalami kemajuan, meski siklusnya lebih lama. Meskipun pertumbuhan, industri masih kurang memiliki database material yang komprehensif, yang mengakibatkan properti yang tidak konsisten dan repeatability yang sulit.

Badan standar seperti ISO dan ASTM sedang menetapkan spesifikasi untuk bubuk logam (nikel, titanium, stainless steel), dan kolaborasi seperti America Makes dengan Stratasys dan NIAR telah menghasilkan database ULTEM 9085 untuk FDM. Upaya-upaya ini akan membantu perusahaan secara andal menemukan dan memenuhi syarat material.

3. Pemroses Pasca Manual

Sementara prototipe dapat mentoleransi finishing manual, produksi memerlukan otomasi. Bagian AM logam memerlukan pengosongan bubuk, perawatan panas pengurang stres, pengangkatan support, machining CNC, dan terkadang hot-isostatic pressing untuk menghilangkan porositas.

“Dengan AM logam, banyak langkah yang terlibat untuk memastikan kualitas. Ini termasuk pengosongan bubuk yang tepat dan melalui siklus pemanasan pengurang stres sehingga bagian tidak merubah bentuk dan distorsi dari stres panas residual yang terbentuk dalam bagian ketika mereka dilepaskan dari plate pembangunan. Banyak waktu seringkali diperlukan untuk memotong dan menggosok struktur support. Langkah lainnya termasuk machining CNC dan pekerjaan finishing lainnya, serta hot isostatic pressing, yang membantu memastikan bahwa bagian tidak mengandung porositas.”

Terry Wohlers, Pendiri dan Presiden Wohlers Associates

Solusi pemroses pasca otomatis sedang muncul—DyeMansion’s cleaning rigs, AMT’s surface smoothing systems, dan PostProcess Technologies’ support-removal units. Dalam logam, Digital Metal’s fully automated production line menunjukkan bagaimana robotika dapat menangani build boxes, pemroses pasca, dan penanganan bagian, menghilangkan tenaga kerja manual.

Meskipun progres bertahap, perluasan alur kerja otomatis esensial untuk produksi AM volume tinggi.

Tantangan Perangkat Lunak

4. Kemampuan Persiapan Data yang Terbatas

“Desain dan persiapan data masih menjadi bottleneck dalam industri ini sementara penekanan diberikan pada sistem hardware produktivitas tinggi, dengan solusi perangkat lunak cerdas yang dikecualikan dari persamaan ini.”

Yves Hagedorn, Managing Director di Aconity3D

Alat CAD tradisional tidak dirancang untuk kebutuhan unik AM—material tergrading, struktur lattice, modeling porositas. Desainer seringkali mengekspor ke STL, mengimpor ke Netfabb, kemudian mengirim ke mesin, menciptakan silo data dan kesalahan.

“Kami mendengar dari banyak pelanggan kami bahwa mereka bekerja dengan alur kerja yang sangat terpencil. Mereka melakukan proses desain di alat CAD, kemudian menerjemahkannya ke file STL dan mengimpornya ke build processor, seperti Netfabb. Dari sana, itu dikirim ke mesin dan mesin mengumpulkan data tentang itu. Jadi Anda akhirnya memiliki silo data yang tidak terhubung dengan baik.”

Robert Yancey, Direktur Strategi Industri Manufaktur dan Produksi di Autodesk

Vendor CAD terkemuka mengintegrasikan fungsi AM—PTC Creo 6.0 kini mendukung desain dan persiapan cetak dalam satu lingkungan, dan telah mengakuisisi perusahaan desain generatif Frustum. Stratasys’ GrabCAD dan 3D Systems’ 3DXpert juga menyederhanakan konversi data. Tujuannya adalah untuk memungkinkan desainer untuk iterasi dalam sistem CAD tanpa pertukaran file yang merepotkan.

Tantangan Jaminan Kualitas

5. Variasi Antara Bagian

“Hal besar lainnya yang harus diatasi industri untuk diterima lebih luas adalah variasi antara bagian […] Alasannya adalah konsistensi material yang keluar dari sistem tidak selalu sesuai dengan apa yang Anda inginkan. Anda harus merancang untuk bagian terlemah yang mungkin Anda dapatkan, yang berarti Anda tidak sepenuhnya memanfaatkan beberapa kemampuan AM.”

Zachary Murphree, VP Teknologi Kemitraan di VELO3D

Variasi timbul dari kimia material—ukuran, bentuk, dan kontaminasi partikel—dan dari kontrol proses. Sistem kontrol closed-loop, dengan sensor dan kamera yang disematkan, dapat mendeteksi deviasi secara real-time dan menyesuaikan parameter, mengurangi defek seperti penangkapan bubuk, mikroretakan, atau kekurangan fusinya.

“Saya pikir itulah Grail Suci untuk AM karena dengan kontrol in-proses Anda dapat hampir segera bereaksi terhadap kekurangan dalam proses Anda.”

Yves Hagedorn, Managing Director di Aconity3D

Saat ini, hanya sebagian kecil printer yang memiliki kontrol closed-loop, namun tren ini semakin berkembang seiring AM memasuki lingkungan produksi.

6. Kurangnya Standar Industri yang Meluas

“Sangat bermanfaat bagi semua pemangku kepentingan dan komponen jika industri memiliki standar yang lebih baik secara keseluruhan, standar yang dipahami dan diterima secara universal. Dengan standar, perusahaan dapat membandingkan apel dengan apel dan membuat keputusan cerdas yang dapat diimplementasikan dalam ekosistem komprehensif pemasok, produsen, dan pengguna.”

Avi Reichental, Pendiri XponentialWorks

Standar esensial untuk memastikan kualitas material, proses, dan produk. ISO dan ASTM telah menerbitkan 28 standar AM pada 2018, dengan banyak lagi yang dijadwalkan dirilis. Upaya kolaboratif—seperti kemitraan Oerlikon-Boeing untuk bagian titanium dan ASTM’s Additive Manufacturing Center of Excellence—mempercepat standarisasi di seluruh desain, bahan baku, proses, pemroses pasca, pengujian, dan kualifikasi.

Tantangan Tenaga Kerja

7. Kurangnya Pemahaman dan Keahlian

“[Elemen] tenaga kerja sangat krusial saat ini. Tidak cukup insinyur, manajer, eksekutif yang benar-benar memahami teknologi ini cukup baik untuk bekerja dan mengembangkan strategi untuk mendapatkan apa yang mereka butuhkan darinya.”

John Barnes, Pendiri The Barnes Group Advisors

Menjembatani kesenjangan pengetahuan adalah vital. Banyak perusahaan sekarang menawarkan program pelatihan, kursus online, dan pusat keunggulan untuk meningkatkan keterampilan insinyur. Konsultan dan konferensi industri juga menyebarkan praktik terbaik. Kunci adalah mencocokkan teknologi yang tepat dengan aplikasi yang tepat, menghindari perangsa memaksa desain tradisional ke dalam proses AM.

Tantangan Keuangan

8. Membuat Investasi Awal

Mengadopsi AM melibatkan lebih dari membeli printer; membutuhkan perangkat lunak, material, pelatihan, peralatan pemroses pasca, sertifikasi, dan pengupgrade fasilitas. Biaya awal dapat menakutkan.

“Biaya peralatan perlu turun untuk membuka teknologi untuk pasar yang lebih luas.”

Armin Wiedenegger, Strategi & Pengembangan Bisnis untuk Manufaktur Aditif di voestalpine High Performance Metals GmbH

Sistem entri hemat biaya sedang muncul. Printer komposit Markforged berkira $15.000 dan menghasilkan pengembalian investasi dalam enam bulan untuk Dunlop Systems, menghemat £40.000 per tahun. Printer logam dari Desktop Metal, Markforged, dan Xact Metal berkisar hingga $150.000, sebagian kecil dari sistem skala besar. Membangun bisnis case di sekitar quick wins—pengurangan biaya, pemotongan waktu lead, penghematan berat—dapat menarik investasi dan menunjukkan ROI.

Tantangan Alur Kerja dan Integrasi

9. Ekosistem AM yang Terpencil

“Seluruh ekosistem AM terfragmentasi: ada banyak solusi kecil dan perusahaan yang harus Anda gabungkan untuk menciptakan alur kerja dan solusi ujung ke ujung.”

Dave Conover, Chief Technologist of Additive Manufacturing at Ansys

Integrasi di seluruh desain, pembangunan, pemroses pasca, dan rantai pasokan esensial untuk skalabilitas. Kemitraan—seperti integrasi RIZE dan Dassault Systèmes’ SOLIDWORKS, dan tawaran rantai nilai penuh Henkel (material kustom, printer Loctite, layanan pencetakan)—menyederhanakan alur kerja. Konsolidasi melalui kolaborasi ekosistem mempercepat adopsi.

10. Kurangnya Infrastruktur Digital

Produksi AM yang efisien membutuhkan tulang punggung digital yang disesuaikan dengan alur kerja uniknya. Solusi TI manufaktur tradisional seringkali kurang memadai. Perangkat lunak manajemen alur kerja AM yang khusus melacak permintaan, printability, analitik mesin, penjadwalan, pemroses pasca, dan komunikasi pemasok.

Sistem terpusat menyediakan pelacakan, perencanaan produksi, dan sinkronisasi data, memungkinkan integrasi yang mulus ke dalam lingkungan manufaktur digital.

Industri yang Berkelanjutan

Dalam satu dekade terakhir, AM telah berkembang dari alat prototipe menjadi teknologi produksi yang layak. Inovasi dalam kecepatan, ilmu material, otomasi, standar, dan pengembangan tenaga kerja mendorong pergeseran ini. Saat perusahaan bekerjasama, mensetorkan, dan berinvestasi secara strategis, manufaktur aditif akan terus matang dan berkembang di seluruh sektor.

Baca Expert Roundup kami sebelumnya tentang masa depan pencetakan 3D industri untuk wawasan lebih lanjut.