STOCKHOLM SVERIGE 2018,
3D-skrivare inom bilindustrin
Additiv tillverkning gentemot traditionell tillverkning
TESI HAJZERI
KTH
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT
2018
TESI HAJZERI
Kungliga Tekniska Högskolan Examensarbete Industriell Ekonomi, Produktframtagning
3D-SKRIVARE INOM BILINDUSTRIN
Additiv tillverkning gentemot traditionell tillverkning
TESI HAJZERI 1
FÖRORD
Jag vill rikta ett stort tack till alla som har gjort den här studien möjlig och bidragit till resultaten. Till att börja med vill jag tacka handledaren Per Johansson för att ha varit otroligt stöttande och gett konstruktiv kritik samt värdefulla råd under arbetets gång. Dessutom vill jag tacka handledaren för industriell ekonomi Jannis Angelis som bidrog med sin kunskap till aspekterna kring industriell ekonomi i studien.
Ett stort tack vill jag även rikta till alla respondenter för att ha visat intresse för arbetet och ställt upp på intervjuer.
Studien hade inte kunnat genomföras ordentligt utan er kännedom om ämnet, erfarenheter och insiktsfulla synvinklar.
Stockholm, 5 Maj 2018 Tesi Hajzeri
TESI HAJZERI 2
SAMMANFATTNING
3D-teknologin uppmärksammas alltmer inom bilindustrin. Additiv tillverkning har redan implementerats i stor utsträckning på exempelvis prototypframtagning. Det krävs dock drastisk teknologisk förändring för att möta de krav som ställs från konsumenter och samhället.
Syftet med arbetet är att undersöka och uppmärksamma 3D-skrivarens roll inom bilindustrin.
Studien fokuserar på resurseffektiv produktion med hjälp av 3D-skrivare. Målet är att utvärdera vad införandet av 3D-skrivare innebär för denna industri och samhället. Vidare analyseras fördelar och nackdelar med hjälp av litteraturstudier och intervjuer. Dessutom utreds det vilken inverkan 3D-skrivare kan ha på marknadsstrukturer samt på företagens externa och interna dynamik.
Sammanfattningsvis undersöks den additiva tillverkningens potential och utmaningar inom bilindustrin.
Det finns inga stora mängder forskning inom området eftersom 3D-skrivare inom bilproduktion har införts ganska nyligen och implementeringen fortfarande befinner sig på forsknings- och prototypframtagningsnivå. I detta arbete strävas det efter att ge en omfattande bild av 3D- skrivarimplementering på alla processer inom produktionssektorn.
En slutsats från studien är att tekniken medför ett paradigmskifte för bilbranschen. Det konstateras dock av resultatet att 3D-skrivateknologin behöver utvecklas och förbättras för att den ska användas i större utsträckning. Därtill krävs det mer forskning inom ämnet och en satsning på införandet av kurser och laborationer inom additiv tillverkning i universitet, som ett nödvändigt steg mot att främja 3D-teknologins frammarsch inom produktion.
Nyckelord: 3D-skrivare, Additiv tillverkning, Bilindustrin, Resurseffektiv produktion
TESI HAJZERI 3
ABSTRACT
3D technology gets increasing attention in the automotive industry. Additive manufacturing has already been implemented to a significant extent, for example on prototype production. On the other hand, a drastic technological change is needed for the automotive industry to handle the demands of consumers and society.
In this research, the 3D printer's role in the automotive industry is highlighted and investigated. In the study, the focus is on resource-efficient manufacturing using 3D printers. The goal is to examine what the introduction of 3D printers means for this industry and the society. Furthermore, pros and cons are analysed and obtained with the help of literature studies and interviews. In addition, the impact of 3D printers on market structures and on the company's external and internal dynamics is investigated. In summary, the potential and the challenges of additive manufacturing in the automotive industry are examined.
There is not a substantial amount of research in the field since 3D printers have been introduced quite recently to the car manufacturing and implementation is still at research and prototype production level. Therefore, the aim with this work is to provide a comprehensive image of 3D printer implementation on all processes in the production sector.
One conclusion from the study is that this technology can lead to a paradigm shift for the automotive industry. However, 3D printing technology needs to be developed and improved to become more widely used. More research on the subject is needed and an effort to introduce courses and laboratory work in additive manufacturing at universities is necessary to promote 3D technology's advancement in production.
Keywords: 3D-printer, Additive manufacturing, Automotive
industry, Resource effective production
TESI HAJZERI 4
INNEHÅLL
1. Inledning ... 5
1.1 Bakgrund ... 5
1.2 Problemdiskussion ... 6
1.3 Syfte, Mål och avgränsningar ... 7
1.4 Problemformulering ... 7
1.5 Metod ... 8
2. 3D-skrivare och bilindustrin ... 9
2.1 Allmänt om additiv tillverkning inom bilindustrin ... 9
2.2 Grundläggande processer vid additiv tillverkning med polymerer och fast metall ... 10
2.3 Utskrift av flytande metall med 3D-skrivare ... 12
2.4 Materialutveckling för 3D-skrivare i kombination med traditionella metoder ... 13
2.5 Metamaterial och mjuk robotik med 3D-skrivare ... 13
3. Additiv VS traditionell tillverkning ... 15
4. 3D-skrivarens effekter på bilbranschens ekonomi ... 17
5. 3D-skrivarens effekter på miljön ... 21
6. Intervjuer ... 23
6.1 Sammandrag av intervju med Renault år 2016 (20/4 2018) ... 23
6.2 Sammandrag av intervju med Renault år 2018 (5/5 2018) ... 24
6.3 Sammandrag av intervju med Digital Metal (4/5 2018) ... 25
6.4 Sammandrag av intervju med Swerea (7/5 2018)... 27
6.5 Sammandrag av intervju med VBN Components (8/5 2018) ... 28
6.6 Sammandrag av intervju med Kungliga Tekniska Högskolan (9/5 2018) ... 29
6.7 Sammanställning av intervjuer ... 31
7. Analys ... 32
8. Diskussion ... 35
9. Avslutande reflektioner och vidare forskning ... 38
Referenser ... 39
Bilaga ... 42
TESI HAJZERI 5
1. INLEDNING
I DETTA EXAMENSARBETE UNDERSÖKS 3D-SKRIVARENS PÅVERKAN OCH MEDVERKAN INOM BILINDUSTRIN. EN GRUNDLIG ANALYS UTFÖRS AV 3D-SKRIVARENS FÖR- OCH NACKDELAR INOM BILPRODUKTION SOM SÅ SMÅNINGOM RESULTERAR I EN PROGNOSTISERING AV 3D-SKRIVARENS FRAMTID INOM BILBRANSCHEN. DET FÖRSTA KAPITLET REDOGÖR FÖR BAKGRUNDEN TILL ARBETET FÖLJT AV EN PROBLEMDISKUSSION. HÄR PRESENTERAS PROBLEMFORMULERINGEN OCH SYFTET MED ARBETET KLARLÄGGS.
1.1 BAKGRUND
1.1.1 Varför 3D-skrivare inom bilindustrin
Den första bilen konstruerades i Paris år 1769. Det var en ångdriven bil som rymde fyra personer, hade hastigheten 4km/h och krävde stopp var femtonde minut för påfyllning av vatten (Tekniska Museet, 2017). I första skedet var bilen en ovanlig syn i Sverige och det var inte förrän 50-talets början som dess användning lyftes mot nya höjder. De ökande lönerna och minskningarna av bilpriserna bidrog till att Sverige på ett fåtal år blev det biltätaste landet i Europa och det fjärde biltätaste landet i världen. En avsevärd efterfrågan och behov gav upphov till en intensiv produktion och teknologievolution inom branschen. Den moderna bilen består av komplexa mekaniska och digitaliserade komponenter. Den omfattar mer än 150 programmerbara dataelement, stora mängder ledningar, olika typer av elektroniska fältbussar, upp till 100 miljoner programvaror och tusentals mekaniska delar. (Blomkvist 2001, 18)
Bilbranschens gradvisa progression indikerar på ett radikalt tekniskt skifte till ”Digitala Bilen”. Den tekniska och affärsmässiga modellen för bilar måste uppfylla vissa krav som konsumenter och samhället ställer. I synnerhet berör dessa villkor frågor såsom förbättring av bilsäkerheten, genom geniala arkitektoriska lösningar och mjukvarustyrda framsteg. Anledningen till kraven är en självklarhet, nämligen att minska potentialen för livshotande problem rörande manuella eller autonoma bilar. Följaktligen utarbetar bilutvecklarna tillvägagångssätt som leder till en mjukvaru- och servicefokuserad framtid. För att förstärka kraven föreligger även andra villkor som utmaningar för bilindustrin, till exempel anslutningsmöjligheter, hastighet, social, ekonomisk och ekologisk hållbarhet. I kombination med en turbulent affärsmiljö, invecklad nätverksorganisation och förkortade produktlivscykler skapar detta hög komplexitet inom beslutsfattande.
Beslutsfattarna måste kritiskt beakta alla faktorer som bidrar till förbättring av bilbranschen och bestämma var jämvikten finns för produktion som genererar inkomst samtidigt som den bemöter konsumenternas betalningsvilja och belåtenhet. (O’Donnell, 2017)
Under ökat tryck från alltmer krävande kunder, transportpolitik och säkerhets- och miljöregler över hela världen har bilindustrin gått in i en innovationstävling. En fortsatt konkurrenskraftig fördel beror alltmer på möjligheten att kontinuerligt förbättra och påskynda innovationsproduktionen.
Innovation har till stor del blivit beroende av möjligheten att övervaka all den senaste teknik- och marknadsutvecklingen och integrera olika komplexa teknologier. Av detta skäl har flera bilföretag introducerat 3D-skrivare till produktionslinjerna. Ford är ett exempel på ett företag som har omfamnat 3D-teknologin, även kallad för additiv tillverkning, och använder sig av Stratasys Infinite Build 3D Printer för att skriva ut bilkomponenter (Edgren, 2017). Denna 3D-skrivare skriver ut
TESI HAJZERI 6
horisontellt vilket möjliggör utskrift av oändligt långa föremål. Ford har insett möjligheterna med 3D-skrivare och tillämpar dessa även vid tillverkning av prototyper. Prototypernas tillverkningsprocess har reducerats till en omloppstid på några få dagar. På så sätt har Ford lyckats med en anmärkningsvärd tidsoptimering eftersom utförandet av denna process annars hade tagit flera månader.
1.1.2 Additiv tillverkning inom bilindustrin nu och i framtiden
3D-skrivarens växande popularitet och integration i bilbranschen beror på att teknologin är billigare och effektivare idag än någonsin tidigare. Enligt statistik från Global Industry Analysts uppskattas teknikområdet att vara värt ungefär 85 miljarder kronor år 2020. Medan 3D-skrivarproducenter tar utvecklingen av 3D-skrivare till nya höjder genererar de ett hav av innovativa lösningar till bilproducenterna. Teknologin möjliggör produktion av prototyper, modeller och bildelar. (Stanley Analysis, 2017)
Etableringen av 3D-skrivare på bilmarknaden har gett upphov till en ny marknadsnisch, där fokusområdet är att producera 3D-skrivare med potential att skriva ut hela bilar. Local Motors är det första företaget inom denna nisch som uppnådde lyckad tillverkning av hela bilar i samarbete med företaget SABIC, vilka bidrog med materialet (Reinforced Plastics, 2014). Uppkomsten av denna nya nisch i samarbete med företag specialiserade inom 3D-skrivarmaterial, exempelvis VBN Components som lanserade världens hårdaste stål, driver konkurrensmarknaden och hotar de traditionella bilföretagen. Följaktligen måste traditionella bilföretag skapa sig en uppfattning av 3D- skrivarens funktion och användningsområden för att kunna bibehålla övertaget i framtida bilindustrin. (Thor, 2017)
1.2 PROBLEMDISKUSSION
Bilindustrin, som tidigare nämnts, står inför ett paradigmskifte mot en digitaliserad såväl som automatiserad tillverkning och produkt. Digitaliseringen och den rådande miljömedvetenheten leder till krav på snabbare, säkrare och mer hållbara bilar. Således framträder introduceringen av 3D-skrivare som vägen framåt för industrin. 3D-teknologin ses som lämpad att stödja ledningsprocesser i egenskap av strategisk planering samt produktions- och verksamhetsutveckling.
Ytterligare tillämpningsområden är huvudprocesser såsom raffinering och tillverkning av bilkomponenter. (Ljungberg, Larsson 2001, 184ff)
Introduktionen av 3D-skrivare förväntas bidra till tids- och energibesparande, kvalitets- och arbetsmiljöförbättring samt lägre kostnader. Emellertid ligger utmaningarna i förmågan hos 3D- skrivare att hålla tillräckligt hög takt i utvecklingen för att tillfredsställa bilföretagens krav.
Dessutom har de egentliga korttidseffekterna av den nya teknologiska tillämpningen på bilbranschen inte undersökts i någon större omfattning. (Macdonald, Wicker 2016)
Långtidseffekter av 3D-skrivartillämpningen har inte heller granskats och fastställs. Utvecklingen går visserligen mot en mer automatiserad produktion där 3D-skrivare kan spela en central roll men med automatisering förändras företagens ekonomi drastiskt när allt färre anställda krävs. Således uppstår det makroekonomiska problem såsom arbetslöshet, lågkonjunktur och låg inflation.
Ytterligare en långtidseffekt av automatiserings- och digitaliseringsförbättring är utvecklingen av
TESI HAJZERI 7
självkörande bilar. Elon Musk, Teslas Vd, anser att självkörande bilar är den naturliga förlängningen av aktiv säkerhet och det är den uppenbara utvecklingsvägen vi borde ta (Ohnsman, 2013).
Däremot blir följden av detta en del etik- och moralproblem exempelvis hur autonoma fordon ska programmeras för olika oundvikliga olycksscenarier.
1.3 SYFTE, MÅL OCH AVGRÄNSNINGAR
Syftet med denna studie är att undersöka och uppmärksamma 3D-skrivarens roll inom bilindustrin.
Med hjälp av litteraturstudier och intervjuer kommer 3D-skrivarens påverkan inom bilproduktion att granskas. Målet är att utförligt examinera vad införandet av 3D-skrivare för med sig i bilindustrin och samhället. Framtidsvisioner kommer att analyseras och koncentreras till rimliga framtidsprognostiseringar. En avgränsning har gjorts till att mer specifikt behandla frågeställningarna utifrån additiv tillverkning av prototyper, verktyg och bilkomponenter och inte hela bilar.
1.4 PROBLEMFORMULERING
Mot denna bakgrund är ändamålet med examensarbetet som ändamål att utreda tillämpningen av 3D-skrivare på den mogna, tillgångsbaserade bilindustrin. Mer specifikt strävas det efter att undersöka:
Leder 3D-skrivare till resurseffektiv produktion inom bilindustrin?
➢ Hur förhåller sig additiv tillverkning till traditionell tillverkning, med avseende på produktivitet, effektivitet, kostnadsreducering, energi- och tidsbesparing, samt kvalitets- och arbetsmiljö-förbättringar? Frågeställningen kommer att analyseras för både mass- och skräddarsydda produkter.
➢ Vilken betydelse har införandet av 3D-skrivare för marknadsstrukturer?
➢ Vad har additiv tillverkning för inverkan på samhället gällande den hållbara utvecklingen med fokus på sociala, ekonomiska och ekologiska aspekter?
TESI HAJZERI 8
1.5 METOD
För att få tillräckligt pålitlig grund till ämnet fokuseras arbetet på tidigare forskning av 3D-skrivare inom bilindustrin. Därtill används denna litteraturstudie som grund till intervjuerna vilka utgör andra delen av analysen. Det mesta av informationen baseras på rapporter hämtade ifrån KTH:s egna databas, kallad för Primo. Resterande artiklar och information hämtas från böcker och internet.
Kvalitativa studien består av fem intervjuer varav tre av dem utfördes på plats medan resterande intervjuer utfördes via Skype. Att använda intervjuer är den metod som inom given tidsram anses bäst besvara syftet och frågeställningarna. Intervjuerna är kvalitativa och semi-strukturerade vilket betyder att frågorna är förberedda till viss del men det föreligger möjlighet till följdfrågor. Dessa öppna frågor leder till att intervjun blir ganska avspänd för att i sin tur möjliggöra en diskussion med respondenten. Intervjuerna är inom olika områden av additiv tillverkning för att kunna ge en omfattande bild av hur det ser ut idag i bilindustrin samt kunna komma till en tillförlitlig analys.
Frågorna är konstruerade på så sätt att de i slutändan besvarar problemformuleringens olika beståndsdelar. Dessa ska också ge svar på hur framtiden kan se ut för 3D-skrivare inom bilindustrin. För att bibehålla hög tillförlitlighet i det kvalitativa arbetet användes nästan samma intervjufrågor till alla respondenter och flera liknande frågor ställdes till en och samma respondent för att pröva konsistensen i svaren.
Vid en genomförd kvalitativ undersökning finns det inget behov för ett slumpmässigt urval, utan fokuset ligger på ett selektivt urval. De företag som kontaktades är de som anses ha ett stort inflytande inom ämnet. Intervjutiden berodde mycket på respondenterna men det uppnådda målet på 30 minuter var alltid uppfyllt. Alla respondenter gav sitt samtycke för inspelning av intervjuerna men ingen transkribering utfördes eftersom det istället ansågs mer lämpligt och relevant med en sammanfattning av intervjuerna, då dessa var så pass breda. Inspelningen möjliggör att fokus och koncentration ligger på respondenternas svar. Detta leder också till mindre anteckningar och mer vaksamhet för att ställa följdfrågor. Slutligen analyseras intervjuerna genom att jämföras med varandra och med tidigare forskning för att relevanta slutsatser ska kunna dras.
TESI HAJZERI 9
2. 3D-SKRIVARE OCH BILINDUSTRIN
2.1 ALLMÄNT OM ADDITIV TILLVERKNING INOM BILINDUSTRIN
3D-skrivarteknologin har blivit populär eftersom den möjliggör tillverkning av komplexa, geometriska former. Dessutom har patent på 3D-skrivare börjat upphöra vilket möjliggör användning för allmänheten. Dess användning definieras som snabb prototypframtagning och optimering av tillverkningskedjan från idé till färdiga bildelar. Framsteg inom användbara material och stort tillverkningsutrymme har lett till ett brett tillämpningsområde för denna tekniska innovation. Det har redan börjat byggas sofistikerade system som integrerar hård- och mjukvara för en enhetlig 3D-tryckbaserad produktionskedja. Även företag som erbjuder 3D-skrivartjänster har etablerats. Ett exempel på detta är företaget AutoDesk som erbjuder en gratis APP för omvandling av bilder till 3D-objekt (AutoDesk, 2018). 3D-skrivare förvandlar material till önskad form för att med hjälp av lager-för-lager teknik kunna bygga komplexa modeller och delar. Till följd av att processen kan avbrytas och återupptas närhelst, uppstår det potential till flexibel tillverkning. Tillämpning av additiva metoder möjliggör delkonsolidering och spelar därmed kritisk roll vid minskning av monteringsbehov och tidsoptimering. (Macdonald, Wicker 2016)
I bilindustrin leder den ökande bilkomplexiteten till behov av nya problemlösningar. Detta är ett gynnsamt tillfälle för 3D-skrivare att urskilja sig från andra metoder och teknologier. I motsats till traditionell tillverkning använder sig inte additiv tillverkning av delspecifika permanenta eller engångsformer. Av detta skäl tänjer teknologin på tillverkningsgränser och förser bilindustrin med innovativa lösningar och förbättring av mönster. Trots detta är användandet av additiv tillverkning inom bilindustrin begränsat och ligger efter jämfört med andra industrier exempelvis medicin- och flygindustrin. Detta illustreras också i nedanstående figur. Den visar på en skala ett till tio i vilken räckvidd additiv tillverkning används inom bilindustrin. Det som tyds från Figur 1 är att utvecklingen av 3D-skrivare och dess användning befinner sig på grundläggande nivå där tester fortfarande utförs i simulerad eller laborationsmiljö. Det som också kan läsas av i figuren är att implementeringen av 3D-skrivare inom bilindustrin ligger långt efter i jämförelse med exempelvis medicinindustrin som använder den additiva tillverkningens fulla potential. (Duda, Raghavan 2018)
Figur 1: (Duda, Raghavan 2018) visar additiv tillverkning inom flyg-, verktygs-, bil- och medicinindustrin.
Det grundläggande antagandet om denna teknologi är att den ofta används för modeller och prototyper, alltså i de första stadierna av produktionslinjen då produktidén genomgår utvecklingsstadiet. Men den växande betydelsen av djup specialkunskap inom bilindustrin kräver en uppgång av teknologin och har drivit 3D-skrivare till nästa utvecklingsskede. Således är denna generations 3D-skrivare kapabla att även tillverka produkter med multifunktionella förmågor.
TESI HAJZERI 10
2.2 GRUNDLÄGGANDE PROCESSER VID ADDITIV TILLVERKNING MED POLYMERER OCH FAST METALL
Detta nya tillvägagångssätt representerar ett paradigmskifte som har ändamålet att utan delprocesser skapa multifunktionella slutkomponenter med optimalt kombinerade system bestående av elektroniska, elektromagnetiska, kemiska och termiska egenskaper. Det finns sju grundläggande processer som utgör olika metoder för tillverkning med 3D-skrivare.
Photopolymerization, material extrusion och material beam är metoder som räknas till dessa processer och är anpassade för produktion med polymerer. Kvarvarande additiva processer är powder bed fusion- based technologies (PBF), directed energy deposition (DED), lamination och binder jetting, vilka är anpassade för produktion med metaller. Emellertid är inte lamination och binder jetting tillräckligt effektiva beträffande komplexitet, tillverkningstid och kostnadseffektivitet, utan det är PBF och DED som lämpar sig bäst för produktion med metall. (Duda, Raghavan 2018)
Nedan följer en kort förklaring på tillverkningsmetoder med polymerer som grundmaterial.
Photopolymerization innefattar ett kärl av flytande fotohärdbara polymerer som härdas med en energikälla exempelvis en laserstråle och produkten skapas på en rörlig plattform. Material extrusion använder sig av ett strängsprutningsmunstycke där det upphettade materialet, vanligtvis termoplaster, flödar igenom. Slutligen är material beam en metod som tillverkar produkten genom att droppvis avge materialet som oftast är fotohärdat. (Duda, Raghavan 2018)
PBF och DED är klassificerade enligt vilken energikälla som används (Duda, Raghavan 2018). PBF representeras av selective laser sintering (SLS), direct metal laser sintering (DMLS) samt electron-beam additive manufacturing (EBM) och går ut på att pulver appliceras på ett underlag. Skillnaden mellan SLS och DMLS ligger i att SLS använder sig av hög-energi laserstråle för att smälta metallpulvret, medan DMLS använder sig av en laserstråle som endast sintrar metallen. DMLS sammanfogar partiklar inuti materialen men tillåter inte att metallen värms upp tillräckligt för att fullständigt smälta (Hettesheimer, Hirzel, Byeol Roß 2018). DMLS är en snabb process ägd av det tyska företaget EOS GmbH som producerar komponenter med hög kvalitet. Emellertid, för att åstadkomma rätt standard av gas- och trycktäthet krävs oftast efterbehandling av komponenterna. DMLS-metoden är en relativt ny teknik som har studerats i stor utsträckning och används för att minimera tillverkningskomplexiteten och optimera produktionslinjer. Mer specifikt är den mest användbar inom produktion av fordonsdelar tillverkade med hjälp av stämplingsprocesser. Efterfrågan på bilmarknaden efter dessa fordondelar har ökat enormt under senare år till över 100 miljoner delar per år. Stötfångare, takräcke, A- och B-stolpar är fordonsdelar som ingår i denna kategori.
Traditionell tillverkning av dessa komponenter innebär att metallplåten måste lamineras, skäras, formas samt värmebehandlas för att uppnå önskade egenskaper. Slutligen krävs polering av ytor för att bibehålla önskad kvalitet och toleranser. (Leal et al. 2017)
DMLS-processen inkluderar många av ovanstående delbehandlingar i en och samma process, vilket resulterar i tids- och arbetskraftsminimering. Värmebehandling och komponentpolering återstår dock att utföras eftersom ojämna kanter och ytor kan förekomma på den producerade komponenten. Likväl uppvisar metalladditivtillverkning med DMLS vissa brister inom produktionen. Lager-för-lager processen orsakar ojämn kylning, vilket resulterar i stora temperaturgradienter och termiska påfrestningar i legeringen. Vissa material såsom aluminium- och nickellegeringar har vid nedkylning stora skillnader mellan högsta och lägsta inre temperatur, vilket leder till att legeringen kan inneha fasta och flytande områden under samma skede. Under stelningsprocessen kan det således bildas dendriter. Längre fram i stelningsprocessen kommer en mindre mängd vätska befinna sig instängd i materialet som så småningom begränsas till kanaler mellan dendriterna och bildar en hinna över dessa. Härmed är materialet obrukbart för tekniska
TESI HAJZERI 11
tillämpningar då sammandragningar av det fasta ämnet resulterar i sprickbildningar och hålrum i materialet. Ytterligare kritiska moment vid användning av DMLS är pulverhantering och dess leverans. (Duda, Raghavan 2018)
EBM-tekniken är samma teknik som DMLS men skiljer sig i arbetsförhållandena. Till skillnad från DMLS som är verksam under normala luftförhållanden kräver EBM att pulverbädden finns i vakuum där den smälts med hjälp av en elektronstråle. Skillnaden mellan den mindre efterfrågade binder jetting och DMLS ligger i att binder jetting kombinerar tillverkningen med avgivande av ett bindemedel som ansluter pulvret. (Leal et al. 2017)
DED-baserad teknik går ut på att direkt smälta materialet medan det appliceras i motsats till PBF som smälter en materialbädd. I DED ingår tekniker såsom rapid plasma deposition (RPD), direct metal deposition (DMD) och electron-beam freeform fabrication (EBFFF). RPD använder sig av argonplasma för att skapa produkten, där en metalltråd smälts och argongasen driver fram de smälta dropparna mot substratet eller basplattan. DMD smälter metallen direkt med hjälp av en laserstråle och lämpar sig till reparationer av befintliga komponenter samt tillägg av nya funktioner. EBFFF använder sig av en fokuserad elektronstråle i vakuum för att smälta metallen. (Leal et al. 2017)
Lamination går ut på att färdiga skikt av material sammanbinds till att bygga upp en struktur. Därtill kommer att för varje skikt av tillverkningen krävs det konstant bearbetning eller skärning av materialplåtarna. Följden av denna process blir materialspill vilket är en biprodukt som undviks vid användning av DED. Därmed vid jämförelse av tillvägagångssätt, är det omedelbart uppenbart varför DED-teknik är mer användbar än lamination. Däremot är DED-baserad teknik mindre användbar än PBF på grund av att den inte har tillräckligt hög noggrannhet men har dock en lång historia inom reparationer. (Leal et al. 2017)
Sammanfattningsvis är polymerer numera material som ständigt används vid prototypframtagning med additiv tillverkning inom bilindustrin. Utskrift av metaller har däremot varit ganska utmanande eftersom de måste omvandlas från fast till flytande form och varit begränsad till metaller med låg smältpunkt. Dessa är inte optimerade för bilindustrin på grund av deras låga mekaniska styrka och elektriska ledningsförmåga samt höga korrosionshastighet. Dessutom behövs bearbetning och omformning av metallerna till pulverform innan användning, vilket kostar bilindustrin höga summor. Laserinducerad framåtöverföring har eliminerat dessa utmaningar och möjliggjort metallutskrifter av alla sorters metaller inklusive krom, nickel, guld och aluminium. Metoden går ut på att en stark laserstråle lyser på en metallplåt. Ljuset absorberas av metallen, en termisk spänningsvåg skapas och en flytande metallmikrodroppe avsöndras och läggs på hög. Däremot på grund av att dropparna måste hamna på varandra har denna metod begränsats till relativt låga pelare och förhindrar produktion av större komponenter. (Visser et al. 2015)
Ytterligare en nackdel är att dropparna vanligtvis stelnar i sfärisk eller torusform vilket oundvikligen resulterar i porositet och liten areakontakt med föregående droppe. En avvägning mellan kontroll av droppform, slagplats och förorening ligger till grund för lyckad metallutskrift. På så sätt är det möjligt att uppnå längre pelare med låg porositet som är elektriskt ledande och mekaniskt homogena. För bästa resultat ska pelarna bestå av skivformade, fasta droppar vilket maximerar kontaktområdet och vidhäftningen av de stelnade dropparna. Det vill säga att utskrift av komponenter med hjälp av fasta metaller är fullt möjligt vid droppforms- och precisionskontroll.
(Visser et al. 2015)
TESI HAJZERI 12
2.3 UTSKRIFT AV FLYTANDE METALL MED 3D-SKRIVARE
Såväl som möjlighet att skriva ut metall från fast form finns det möjlighet för utskrift av flytande metall med låg viskositet vid rumstemperatur. Detta är viktigt inom bilproduktionssammanhang såsom produktion av mjuka ledningar, elektriska sammankopplingar, elektroder och antenner.
Skillnaden ligger i att flytande metall inte behöver en laserstråle utan den kan tillsättas i en mikrospruta och med hjälp av tryckkontroll tvingas ut i droppform på en plattform. Mikrosprutan består av en rörlig plattform som bestämmer metalltrådens längd beroende på hur högt upp plattformen rör sig vertikalt. Processen påbörjas med bildning av en liten legeringspärla på slutet av sprutan. Metoden tar till vara på galliums oxidegenskaper och utnyttjar karaktärsdraget att en tunn oxidsyta bildas snabbt på den flytande metallen och stabiliserar mikrostrukturerna trots vätskans låga viskositet. På så sätt tillåts inte, trots gravitationen, den flytande legeringen att flöda tills extra tryck används. Trycket är noggrant utvald så att oxideringens egenskaper ska kunna utnyttjas under hela processen och tråden ska mekaniskt stabiliseras. I de fall då kontroll av droppar är betydelsefull och koagulering vill förhindras används det en teknik som går ut på införandet av fasta partiklar, makromolekyler eller andra ytaktiva ämnen på dropparnas yta. Tillverkningen av metalltrådarna med denna metod kan avbrytas när som helst vid önskad längd ifall vakuum appliceras på sprutan. Omkretsen av tråden beror på sprutans omkrets och kan variera mellan 30 och 200 μm medan den längsta tråden som åstadkommits är 1 cm lång. (Ladd et al. 2013)
Konsten att placera metalldropparna med ovannämnda metoder i olika mikrostrukturer och hantera deras egenskaper är en viktig komponent för elektroniken inom bilproduktion (Visser et al. 2015). Förutom studier om dropp- och precisionskontroll har det även forskats fram andra metoder att utvidga och möjliggöra producering av längre metalltrådar. De presenterade metoderna för 3D-utskrift av fasta metalltrådar, från metaller som är flytande i rumstemperatur, är närmare bestämt strängsprutning av metallpartiklar eller elektroddeposition från en ledande spets. Studierna har fokuserat på den flytande och ledande legeringen EGaIn som består av 75% gallium och 25%
indium. Ifall den flytande legeringen exponeras för luft bildar den en hinna av galliumoxid som inte stör den ledande förmågan av legeringen utan snarare förenklar att legeringen sammanfogas med andra legeringar och metaller. För att producera långa och mjuka elektriska komponenter kan den flytande metallen injekteras i mikrokanaler. Denna metod är däremot inte optimal för komplexa komponenter eftersom den endast möjliggör utskrift av metalltrådar i ett plan och inte utskrift av 3D-arkitektur. (Ladd et al. 2013)
Metoder som DMLS och laserinducerad framåtöverföring medför brister och vikten av materialkompatibilitet betonas för att kunna bibehålla adekvat kvalitet under och efter produktion.
Flera olika faktorer, såsom otillräckligt utvecklade produktionsmetoder, kombinerat med det begränsade utbudet av industriellt användbara legeringar har varit anledningen till detta. Således har additiv tillverkning av metaller länge begränsats till prototypframtagning. (Iain, 2017)
TESI HAJZERI 13
2.4 MATERIALUTVECKLING FÖR 3D-SKRIVARE I KOMBINATION MED TRADITIONELLA METODER
Emellertid har en kombination av traditionella och innovativa metoder visat sig vara gynnsamma för utvecklingen av 3D-teknologin. Produktion av starka material utan hålrum eller brister med 3D-skrivare har möjliggjorts endast av kunskap från den traditionella metoden, gjutning. I gjutning är det vanligt att tillsätta ämnen i flytande metall för att manipulera mikrostrukturer, främja kristallbildning och störa bildning av pelarstrukturer även under höga stelningshastigheter eller temperaturgradienter. Dock, var denna kunskap svårtillämpad på 3D-teknologin eftersom 3D- skrivarens smältpooler av metall endast är tiotals mikrometer långa och bara existerar under tiotals sekunder. (Iain, 2017)
Forskare har identifierat ett tillvägagångssätt för att kunna lösa ovannämnda problem. Tekniken har demonstrerats på den välkända, svårbearbetade aluminiumlegeringen Al7075 som med hjälp av 3D-skrivare används inom flyg- och bilindustrin. Genom att först modifiera ytan av legeringspulvret med nanopartiklar har forskare lyckats framställa pelarfria mikrostrukturer utan hålrum. Sålunda noteras det en markant förbättring av de mekaniska egenskaperna av produktionen med det modifierade pulvret i jämförelse med den icke-modifierade legeringen. Uppfinningen kan appliceras på alla andra industriellt användbara legeringar så länge som rätt nanopartiklar tillsätts till legeringspulvren. Utmaningen ligger i att förstå och bättre kontrollera styrkan och motståndet av additivt tillverkade material. (Iain, 2017)
2.5 METAMATERIAL OCH MJUK ROBOTIK MED 3D-SKRIVARE
3D-skrivarnas multifunktionalitet definieras inte bara av de ovannämnda processmetoderna. I synnerhet är 3D-skrivare kapabla till att skapa olika strukturer på produkten genom att tillverka en viss komponent i annorlunda densitet eller färg. Därtill kan 3D-skrivare generera metamaterial, det vill säga extraordinära material med egenskaper som inte finns i naturen. De ovanliga karaktärsdragen hos metamaterial härstammar inte från själva materialet som används utan från deras rationellt utformade mikrostrukturer. Genom att påverka den interna mikrostrukturen hos materialet lyckas 3D-skrivare manipulera och konstruera slutproduktens egenskaper till extraordinära. Därav följer att denna kvalitet hos 3D-skrivarteknologin är applicerbar inom bilindustrin exempelvis för konstruktion av vågfiltrerande metamaterial. Designen av vågfiltrerande metamaterial resulterar i att den inkomna ljudvågen hamnar i harmonisk vibration som i sin tur kan omvandlas till kinetisk energi och lokaliseras. Medelst integrering av metamaterialen i exempelvis bilskelettet uppstår det möjlighet för vibrationerna att lokaliseras och därefter omvandlas till drivande, elektrisk energi. Med hänsyn till ovanstående har 3D-skrivarproducerade metamaterial potentialen att inte bara uppnå vibrationsisolering utan också energimaximering. (Li et al. 2017) Multifunktionella komponenter kräver nästan alltid bearbetning med flera integrerande och komplementära teknologier såsom elektriska och termiska sammankopplingar som möjliggör delsystemkommunikation och överför energi eller värme på ett underlag. För att underlätta elektriska och termiska sammankopplingar av multifunktionella komponenter används tryckta kretskort skapade med hjälp av kopparplätering. Däremot har det introducerats en annan metod på marknaden vilken går ut på att använda sig av ledande bläck som appliceras direkt på ytan av
TESI HAJZERI 14
färdiga konstruktioner. Hittills har endast få försök gjorts för att integrera det ledande bläcket i 3D- skrivarprocessen. Ett exempel på denna forskning är företaget Voxel8. Bläcket härdas vid rumstemperatur, vilket har betydande tillverkningsfördelar och flexibilitet. Likväl, i jämförelse med traditionellt tryckta kretskort finns det utrymme för förbättring vid användning av ledande bläck applicerad av 3D-skrivare. Till skillnad mot kretskort förhindras ledande bläck av för hög resistans vilket leder till resultatreducering. Trots att denna metod är i utvecklingsfasen finns det en stor potential att den i framtiden kommer kunna implementeras för att skapa ledande sammankopplingar inom bilproduktion. (Muth et al. 2014)
Ännu en innovativ lösning till elektriska sammankopplingar introduceras som inbäddad 3D- utskrift. Det är en revolutionerande teknik som på sikt skulle kunna ersätta den hårda elektroniken som dominerar bilmarknaden. Denna har lett till en ny genre av elektroniska anordningar, så kallad mjuk robotik. Denna metod innefattar tillverkning av spänningssensorer på mjuka, utdragbara elastomermatriser. Processen är i hög grad automatiserad och programmerbar. I strävan efter att producera lättare bildelar som ska leda till mindre bränsleförbrukning kommer mjuk robotik väl till hands för bilindustrin. Produktionen av mjuka sensorer med traditionella bearbetningsmetoder exempelvis litografiska, fyllnings- och lamineringstekniker har trots sin effektivitet stött på flera problem såsom begränsad livslängd, höga kostnader och dålig hållbarhet. (Muth et al. 2014) Av tidigare nämnda skäl har tillämpningen av töjbar elektronik producerad med traditionella bearbetningsmetoder hämmats. Emellertid har tillverkningen av mjuka sensorer med hjälp av 3D- skrivare drivit fram utvecklingen och möjliggjort ansenlig töjbar teknologi. Metoden innefattar viskoelastiskt bläck som pressas direkt in i en elastomerreservoar. Samtidigt som bläcket placeras på reservoaren bildar det ett resistent avkänningselement medan reservoaren utgör matrismaterialet. Tomrum som uppstår mellan bläcket och matrisen fylls kontinuerligt med ett fyllningsmedel vilket så småningom monopoliseras med matrisen, medan det inbäddade bläcket förblir flytande. Denna egenskap har betydande roll för förbättring av de mjuka sensorernas mekaniska tillförlitlighet eftersom gränssnitten som eventuellt kan leda till delaminering mellan enskilda lager elimineras. Grundläggande krav för produktion av framgångsrika, mjuka sensorer med 3D-skrivare är att det ledande bläcket ska minimera dissociation under utskrift såväl som efter, för att upprätthålla rätt kvalitet. Vidare gäller det att reservoaren och fyllningsmedlet ska ha identisk kemisk uppsättning för att förebygga och eliminera inre gränssnitt i den elastomera matrisen efter härdning. (Muth et al. 2014)
TESI HAJZERI 15
3. ADDITIV VS TRADITIONELL TILLVERKNING
Fördelarna med additiv tillverkning är flexibilitet, komplexitet, lätt design, delkonsolidering, eliminering av verktyg och precision. Bilindustrin är extremt konkurrenskraftig och nya bilmodeller produceras i högt tempo. Med denna trend tillkommer det att tidsoptimering från idé till produktion och vidare till marknaden spelar en ledande roll för att lyckas på bilmarknaden. (Duda, Raghavan 2018)
PBF är den mest lovande tekniken vid produktion av komplexa metalldelar i små volymer (Duda, Raghavan 2018). Dock är kostnader för additiv tillverkning, exempelvis med DMLS-metoden, betydligt högre i jämförelse med traditionell tillverkning på grund av de höga investeringskostnaderna för 3D-skrivare. Priser för byggmaterialet, i detta fall metallpulver då det är det mest relevanta inom bilindustrin, ligger också väldigt högt och driver upp produktionskostnaderna. Materialkostnaderna utgör 12% av de totala kostnaderna med additiv tillverkning (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014). Emellertid visar kostnadsanalyser att additiv tillverkning kräver betydligt färre produktionssteg än traditionell tillverkning, vilket resulterar i minimering av intern processlogistik och därmed minskar ledtiden för samma producerade komponent. Det är inte endast ledtiden som påverkas utan DMLS har också fördelen att reducera produktionstiden av exempelvis stämplingsverktyg med cirka 35%. De additivt tillverkade verktygen använder samma standard som traditionellt tillverkade. Med hänsyn till detta har införandet av 3D-skrivare potentialen att, trots högre direkta produktionskostnader, vara en ekonomisk och teknisk fördel för bilindustrin. Vid hänsynstagande till den tidsmässiga vinsten vid serieproduktion som tillhandahålls med additiv tillverkning framställs additiv tillverkning fördelaktig jämfört med den traditionella. Detta på grund av att leverans inom de uppställda tidsramarna är en viktig beslutsfaktor inom bilindustrin. (Weller, Kleer, Piller 2015)
3D-skrivare kan förbättra produktkvaliteten genom att möjliggöra strukturer som tidigare inte har kunnat åstadkommas. Ett exempel på detta är förbättring av katalytisk avgasrening hos bilar. Med hjälp av 3D-teknologi har tillverkning av porös struktur som tidigare inte har kunnat produceras lett till effektivare katalysatorer och optimerad avgasrening (Santoliquido et al. 2017). Det svenska företaget VBN Components har lyckats med hjälp av 3D-skrivarens precision framställa världens hårdaste stål som når 72 på Rockwell-skalan (hrc) i jämförelse med det tidigare 67 hrc. För bilbranschen innebär detta enorma framsteg då lager-för-lager teknologin har även möjliggjort tredubbling av komponenters livslängd. Dock är produktion av komponenter som innehåller blandning av material utmanande för 3D-teknologin då de flesta 3D-skrivare inte stödjer tillverkning med olika material. Produkterna behöver i dessa fall genomgå flera behandlingar, vilket resulterar i sämre kvalitet och hållfasthet. (Orring, 2017)
Ett hinder för att 3D-skrivare ska bli en självklarenhet inom bilproduktion är bristen på 3D-skrivare med möjlighet att massproducera. Nedanstående figur visar skillnaden vid additiv och traditionell tillverkning av prototyper och produkter. Det som tyds från Figur 2 är att det tar avsevärt mindre tid för tillverkning av prototypen med additiv tillverkning gentemot traditionell tillverkning.
Däremot sker det motsatta vid tillverkning av produkten. Traditionell tillverkning är således bättre anpassad för massproduktion och snabb tillverkning i stora volymer.
TESI HAJZERI 16 Figur 2: Visar tidsåtgången av prototypframtagning och produkttillverkning
vid additiv och traditionell tillverkning.
Trots att 3D-skrivare i nuläget används huvudsakligen för detaljer i mindre volym har teknologin för massproduktion utvecklats i snabb takt. Digital Metal nämns som det första företaget i världen att serietillverka industriella 3D-skrivare för produktion av detaljerade komponenter i stora volymer. Därmed har detta företag tagit additiv tillverkning ett till steg närmare praktisk massproduktion. (Hopson 2018, 103)
3D-skrivare utlovar nya, innovativa tankebanor för produktion inom bilindustrin. De möjliggör till skillnad från traditionell tillverkning geometrioptimeringar vilka leder till produkter med mindre volym och vikt som i sin tur reducerar tillverkningstiden. Däremot, för att additiv tillverkning ska kunna bli ekonomiskt hållbar jämfört med traditionell tillverkning måste mångfald av 3D- skrivarmaterial trädda inom bilindustrin, materialkvaliteten förbättras samt utvecklingen av 3D- skrivare och 3D-skrivarprogram till lägre kostnader främjas.
TESI HAJZERI 17
4. 3D-SKRIVARENS EFFEKTER PÅ BILBRANSCHENS EKONOMI
Innan den industriella revolutionen fanns det inga mellanhänder mellan hantverkare och konsumenter samt ingen försörjningskedja då allt gjordes av hantverkaren i sin verkstad.
Marknaden generellt tillåter det företag som producerar högsta kvalitet till lägst pris att vara mest konkurrenskraftig. Den industriella revolutionen ledde till okonventionella produktionsmetoder som främjade kvalitet av bilkomponenter, och införandet av maskiner som i sin tur möjliggjorde massproduktion. Stor producerad volym uppnås genom hög produktivitet samt effektivitet och är eftertraktad eftersom den täcker leverans- och transportkostnader. Detta ger stordriftsfördelar vilket minskar kostnaden per enhet och maximerar vinsten. Däremot vid specialtillverkning består nästan alla kostnader av rörliga kostnader och det uppstår en interaktion mellan producent och konsument som leder till en bättre förståelse om vad kunden behöver. (Petrick, Simpson 2013) Design for manufacturing (DFM) sågs under 1990-talet som den viktigaste komponenten till kostnadseffektivitet. Detta är en produktionsmodell som har lärts ut i generationer och går ut på att minska variationen av komponenter för att kunna utföra massproduktion till lägsta kostnad.
Digital teknik och låglöneländer bidrog till att samordningen mellan företag underlättades under denna period. Försörjningskedjan utökades och utrustningstillverkare kontrollerade många av produktionens steg såsom design, montering och leverans. (Petrick, Simpson 2013)
Idag har denna syn förändrats och många ser design som vägen att kringgå de begränsningar som upplevs med traditionella tillverkningsprocesser. 3D-skrivare gick från att inte kunna tillfredsställa de höga förväntningarna år 2012 till att ha potentialen att nå en helt ny utvecklingsnivå vid år 2020 (Weller, Kleer, Piller 2015). 3D-teknologin kan medföra att produktsortimentet blir oändligt stort utan extra installationskostnader. Ny teknik påverkar företags- och marknadsstrukturer. Införandet av 3D-skrivare leder till att design och produktion är tätt kopplade genom forskning och experiment. Forskare experimenterar med hastigheter och design inom 3D-tekniken för att kunna få fram en pålitlig relation mellan hastighet och kvalitet som leder till vinst för företag. Med flexibel design och produktion uppstår det förändring i planering av produkter från långsiktighet till realtid.
Traditionell produktion kräver många olika verktyg och personal med differentierade kompetenser för att kunna driva mångfalden av tillverkningsmetoder såsom gjutning, borrning, svetsning, valsning med mera som krävs vid producering av bilkomponenter. Det finns fortfarande behov av specialiserad personal för drift av 3D-skrivare trots att processen är automatiserad men antalet arbetare minskas kraftigt. Framförallt krävs det personal för programmering av 3D-skrivaren, vilket kan liknas med exempelvis förberedning av svetsningsmaskinen vid traditionell produktion. Under faktiska produktionen med additiv tillverkning krävs det endast ett fåtal arbetare som håller uppsikt över 3D-skrivarnas processer medan inom traditionell produktion tillkommer det i de anställdas arbetsuppgifter en ledande roll inom produktion av komponenter (Leal et al. 2017). Emellertid kan specialiserad bemanning inom 3D-skrivare driva upp produktionskostnader och resultera i att bilföretagen trots allt föredrar traditionell tillverkning gentemot additiv. Detta är dock inte så troligt eftersom arbetskraftskostnaden ligger på endast 2–3% av totala tillverkningskostnaden. Som följd av detta kommer implementeringen av 3D-skrivare i bilmarknaden att specifikt påverka mycket stora, etablerade företag med hierarkisk organisation eftersom arbetsroller kommer att behövas kastas om eller elimineras. Resultatet av ovanstående blir också att kostnadsfördelarna med att producera i låglöneländer minskar drastiskt och lokal produktion stärks. Arbetslöshet och social osäkerhet kan vara konsekvensen som drabbar utvecklingsländerna. (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014)
Stratasys Infinite Build 3D Printer är som tidigare nämnt en 3D-skrivare som skriver ut horisontellt vilket möjliggör utskrift av oändligt långa föremål. Emellertid begränsas 3D-teknologin av
TESI HAJZERI 18
byggutrymme och produktdimensioner. Trots den oändliga produktvariationen som teknologin erbjuder är det svårt att massproducera med 3D-skrivare. Ett aggregerat perspektiv på additiv tillverkning är att den är mest fördelaktig i marknadsmiljöer som präglas av höga transportkostnader och efterfrågan på anpassning, flexibilitet samt designkomplexitet. Additiv tillverkning innebär snabb utveckling av produkter och gynnsam positionering för företag på bilmarknaden. Produktanpassning ger potentiellt en ökning av kundernas uppfattade produktvärde och möjlighet till medverkan i produkternas utvecklingsskede och kan därmed leda till högre betalningsvilja. På så sätt kan företag inom bilindustrin kräva pristillägg för anpassade produkter och därmed tjäna på det. Men detta är inte en självklarenhet eftersom de måste ta i hänsyn att marginalproduktionskostnader ligger högre hos additiv tillverkning än hos traditionell produktion.
Detta beror på de höga materialkostnaderna vilka kan justeras till lägre endast om fler företag som producerar dessa material träder in på marknaden. Även om materialkostnaden är hög finns det en möjlighet att denna jämnas ut eftersom det inte längre skulle finnas ett behov för inkludering av andra verktyg under de flesta bearbetningsstegen vilket resulterar i minskade underhållskostnader.
Däremot tillför additiv tillverkning risker för kopiering av data eftersom den fysiska produktens design kommer att finnas på nätet och frågan om egendomsrätt är en av de allvarligaste ekonomiska konsekvenserna för bilföretagen. (Weller, Kleer, Piller 2015)
En automatiserad och digitaliserad process medför mindre manuellt arbete och minskar sannolikhet för defekta partier. 3D-skrivare inom bilproduktion är en så pass ny tillgång att produkternas kvalitet producerade med additiv tillverkning har inte hunnits undersökas noggrant.
Däremot innovativa företag, exempelvis VBN Components och Digital Metal, lovar förbättrade material och kvalitet av produkter. Med högre kvalitet ökar också kundernas efterfrågan. Det tillsammans med att additiv tillverkning är en exakt produktionsmetod som inte lämnar några materialrester efter sig medför vinst för bilproducenter.
Genom att erbjuda smart design kan 3D-skrivare leda till tids- och produktionsoptimering. Smart design av komponenter betyder färre delprocesser och integrering av alla produktdelar i ett, vilket märkbart minskar monteringsbehovet. Dessutom används samma maskin till nästan alla processer, det vill säga komponenten byggs under ett och samma tillfälle. Dessa särdrag av produktion med 3D-skrivare resulterar i högre produktivitet, högre effektivitet, lägre kostnader och mindre tidsåtgång för produktionen. Som följd av att komponenttillverkningen blir lokaliserad vid införande av 3D-skrivare kan det bortses från höga transportkostnader och kostnadskalkyler begränsas till endast transportkostnader av material och slutprodukter. Integrerande orderprocesser och förskjutning av produktplanering från långsiktig till realtid kan leda till eliminering av lager och lägre kapital- och lagerkostnader. I takt med att transporten begränsas till endast transport av slutprodukter och att det inte längre krävs lager minskar leveranstiderna till kunderna, vilket i slutändan resulterar i ekonomisk fördel för bilföretagen. (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014)
Således påverkar additiv tillverkning kostnader för flexibilitet, individualisering, kapitalkostnader och produktionskostnader. Dessutom kommer lokaliserad tillverkning att ha stor effekt på produktionen eftersom ökad interaktivitet mellan design, produktion och konsument uppstår.
Detta kommer att vara revolutionerande för bilindustrin och skaka om konkurrensdynamiken. För konkurrensen innebär detta att det kommer att finnas en tydlig gräns mellan massproduktion och högt personifierade produkter med korta ledtider. Förekomsten av stordriftsfördelar kommer att minskas eftersom 3D-skrivare så småningom kommer att möjliggöra specialgjorda produkter till lågt pris. (Petrick, Simpson 2013)
Det som illustreras i Figur 3 är kostnader för additiv i jämförelse med traditionell tillverkning.
Figuren visar att additiv tillverkning är som mest fördelaktig om den används på dyra, komplicerade komponenter. 3D-skrivare bibehåller otrolig precision som genomsyrar hela produktionen och
TESI HAJZERI 19
tillverkar geometriskt komplexa former med ökad funktionell prestanda med praktiskt taget ingen extra kostnad. Det är därmed den ökade produktiviteten, effektiviteten och förbättringen av produktprestandan som också ska tas hänsyn till vid bedömning av kostnader för additiv tillverkning. Det är dock endast genom specialtillverkade komponenter i kombination med innovativa, komplicerade mönster att bilindustrin kommer att tjäna på användningen av 3D- skrivare. (Duda, Raghavan 2018)
Figur 3: (Duda, Raghavan 2018) visar kostnader för additiv jämfört med traditionell tillverkning.
Ett av de största hindren med 3D-skrivare som skriver ut metaller är de höga investeringskostnaderna, vilka ligger som lägst på omkring tre miljoner kronor. Det är PBF- teknologin som är svår att förenklas och produceras till lägre kostnad medan DED-teknologin redan är på väg till lägre priser och investeringskostnaderna ligger just nu runt 20 000 kr. En global studie gjort på 900 företag visar att 40% av företagen tycker att produktion med 3D-skrivare hämmas på grund av 3D-skrivarens höga systemkostnader. 28% av företagen bekymrade sig om bristen i kompetens inom området ifall de skulle implementera additiv tillverkning, medan 20%
bekymrade sig om de höga materialkostnaderna och 15% bekymrade sig allmänt om den åstadkomna produktkvaliteten. Andra svårigheter som en mindre andel av företagen bekymrade sig om vid implementering av 3D-teknologin var produktionshastigheten vid massproducering, storleksbegränsningarna av produkter och materialbegränsningarna. (Duda, Raghavan 2018) Konkurrensdynamiken påverkas inte endast av 3D-skrivarens effekt på produktionsprocesser utan också av dess effekt på marknadsstrukturer. Additiv tillverkning underlättar marknadsinträde i en relativt mogen bransch som bilindustrin eftersom i princip alla har möjligheten till tillverkning ifall de äger en 3D-skrivare. Detta skulle potentiellt kunna främja konkurrensen inom bilmarknaden.
Däremot innebär flexibel teknik att fler differentierade produkter träder in på marknaden som möter individuella kundbehov. Om marknadsmiljön präglas av osäkerhet, hög produktsortiment eller fluktuerande kundsmak är 3D-skrivare en fördel. Eftersom additiv tillverkning resulterar i nästan endast rörliga kostnader kan priset justeras utan att påverka andra produktvarianter. Detta kan resultera i antingen att strategiska fördelar som inkluderar att dra ner på priser för att avskräcka andra företag från marknaden går förlorade eller leda till motsatsen, alltså diskriminering av priser på grund av att lokala företag har möjlighet att hålla priset lägre. Detta skulle till skillnad från tidigare argument kunna resultera i svårt inträde på marknaden och slutligen monopol. (Weller, Kleer, Piller 2015)
3D-skrivarteknologin beskrivs som en ny industrirevolution med en betonad potential att demokratisera tillverkningsprocesser genom online-distribuerade ritningar. En värld av decentraliserad fysisk produktion och globalt delad information omdefinierar gränser för
TESI HAJZERI 20
socioekonomisk verksamhet. Med denna demokratisering tillkommer en risk för att sekretessbelagd information läcker och konkurrensfördelen, som det drabbade företaget har, upphör. Till följd av detta är det extra relevant med hög säkerhet på datorer där denna information finns lagrad. Det krävs justering av copyright-, patent- och varumärkessystem för att förhindra brott vid implementering av additiv tillverkning inom bilproduktion. (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014)
TESI HAJZERI 21
5. 3D-SKRIVARENS EFFEKTER PÅ MILJÖN
3D-skrivare är en relativ ny teknik med stor potential för revolution inom bilindustrin. Dess förmåga har dock ifrågasatts under åren och begränsats till forskningsmiljö inom bilindustrin. Dock har det funnits en del spekulationer om att 3D-skrivare är framtiden för hållbar utveckling inom industrin. Eftersom additiv tillverkning är en okonventionell metod medför den förändringar i livscykelkostnader, energi- och koldioxidutsläpp (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014). Det finns vissa faser inom produktframtagning som har mindre betydelse i jämförelse mellan additiv och traditionell tillverkning. Ett exempel är den energi som krävs för utvinning av råmaterialet eftersom denna är annorlunda för båda tillverkningsprocesserna. Produktionsprocessen däremot medför stor skillnad av energiförbrukningen. Vidare finns det mindre skillnader mellan distributionen av råmaterial och leveransen av slutprodukterna mellan de olika tillverkningsmetoderna vilka inte heller är märkvärdiga för hållbarhetsanalyser. (Hettesheimer, Hirzel, Byeol Roß 2018)
Producering av material som ska användas vid produktion skiljer sig åt vid additiv tillverkning i jämförelse med traditionell. En jämförelse mellan traditionell EAF (elektrisk ljusbågsugn) och additiv SLS förklaras i Figur 4. Figuren illustrerar tillvägagångssätten för att utvinna material för produktion, i detta fall aluminium eftersom den lämpar sig väldigt bra för lätt konstruktion inom bilindustrin. Båda metoderna börjar med metallraffinering. Det resultat som erhölls av beräkningar på de olika metoderna är att i beredningsfasen av basmaterialet kan energibehovet av materialpreparatet för additivtillverkningen vara högre eller lägre än den för traditionella metoden.
Detta beroende på om basmaterialet tillverkas direkt efter den första smältningsprocessen eller indirekt från ett metalblock. Den direkta metoden med additiv tillverkning är således mer energisparande än traditionell tillverkning av material. (Hettesheimer, Hirzel, Byeol Roß 2018)
Figur 4: (Hettesheimer, Hirzel, Byeol Roß 2018) visar tillvägagångssätten för att bearbeta material för traditionell och additiv tillverkning.
Omvandling av materia, energi- och arbetskraft till varor, tjänster, avfall och utsläpp, alltså den industriella metabolismen har orsakat störningar i biosfären. Med sina 22% av den totala energiförförbrukning och 20% av de globala koldioxidutsläppen betraktas industrisektorn som en av de stora sektorerna där det är nödvändigt med förändringar för att förhindra klimatpåverkan, uttömning av resurser och störningar av ekologiska system. Det är angeläget att förstå den senaste utvecklingen av 3D-tryckta komponenter för att ta itu med energirelaterade utmaningar och få nya koncept för materiella mönster. (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014)
TESI HAJZERI 22
Additiv tillverkning har visat sig vara kompatibel med industriproduktion utöver prototypframtagning men på grund av begränsad produktionshastighet tillämpas den mestadels på skräddarsydda, högkvalitativa komponenter i låg volym. Protypframtagning med traditionell tillverkning är en lång process som kräver stora resurser och energimängder för framtagning av former och investering i nya verktyg. Den stora skillnaden för prototypframtagning med additiv tillverkning ligger i att prototypen planeras digitalt, vanligtvis genom en CAD-fil och testas nästan omedelbart då inga formar eller extra verktyg krävs. Dessutom lämnar additiv tillverkning inget svinn eftersom det är en precis tillverkning. Följden blir en minskning av resurskraven, energianvändningen, koldioxidutsläppen och tidsåtgången från idé till färdig produkt. (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014)
Processkedjans teknik och materialegenskaper är nyckelaspekter för energibesparingar. Med hänsyn till att behovet för verktyg och montering minskar vid additiv tillverkning sänks de indirekta materialrelaterade energibehoven (Hettesheimer, Hirzel, Byeol Roß 2018). Additiv tillverkning medför också en reducering av tillvekningsrelaterade resursingångar eftersom det inte krävs några formar eller specifika efterbehandlingar av produkterna. Materialåtgången minskar också drastiskt med denna precisa metod eftersom nästan inget spill uppkommer. Av det råmaterialrelaterade avfallet som uppkommer går 95–98% att återanvändas. Stödmaterial kan ibland behövas men den går också oftast att återanvändas. Därmed sänks mängden avfall och koldioxidutsläpp genom förkortade processer och högre resurseffektivitet. Indirekta avfall såsom kylmedel, smörjmedel och andra miljöfarliga substanser elimineras också under produktionsprocessen då det inte finns något behov av dem. (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014)
En ledande marknadsföring för bilindustrin som använder sig av additiv tillverkning är att 3D- skrivare lovar personifierade bildelar som väger mindre. Detta eftersom med additiv tillverkning kan komplexa strukturer införskaffas inom bilproduktionen vilket medför lätta konstruktioner av komponenter. Detta är goda nyheter för bilindustrin som strävar efter att minska bränsleförbrukningen vilket resulterar i minskning av energibehov och därmed koldioxidutsläpp (Gebler, Schoot Uiterkamp, Visser 2014). Forskning på en jämförelse av energiförbrukning ifall bilarnas totala vikt minskar gjordes i Tyskland. Den långsiktiga effekten av cirka 44 miljoner bilar, den totala trafiken i Tyskland, undersöktes och analyserades. I Tyskland var genomsnittet av den årliga körsträckan med en personbil cirka 14 300 km och bilen hade en livslängd på 9 år. Den årliga besparingen på energi vid användning av en 105g lättare komponent resulterade i cirka 1,65 MJ.
Ifall energibesparingen beräknas för under hela bilens livslängd motsvarar detta cirka 14,8 MJ i energibesparing. Detta resulterar på en energiminskning av nästan 72,5 TJ/år för den totala trafiken i Tyskland, vilket är enorm minskning av bränsleförbrukning och energibesparing. (Hettesheimer, Hirzel, Byeol Roß 2018)
TESI HAJZERI 23
6. INTERVJUER
6.1 SAMMANDRAG AV INTERVJU MED RENAULT ÅR 2016 (20/4 2018)
Respondenten heter Elias Ribeiro da Silva och han jobbade hos Renault som projektledare för cirka två år sedan. Han jobbade inom produktutvecklings-sektorn, mer specifikt inom ett projekt kallad för ”Digital Transformation” vilket fokuserade på Industri 4.0, där 3D-skrivare var inkluderat. Hans fokus var processerna inom digital tillverkning.
Renaults anledning att införa 3D-teknologin var inte för att lösa något problem utan för att utforska nya möjligheter, exempelvis kostnadsreducerings-möjligheter. Fokuset var inte på själva produktionen utan mer på prototypframtagningen eller verktyg som används vid produktionsprocessen. Detta på grund av att Renault producerar i väldigt hög takt, närmare bestämt en bil på 54 sekunder. Detta kan inte 3D-skrivare klara av då de inte är tillräckligt anpassade för massproduktion.
Additiv tillverkning passar bra för prototypframtagning eftersom tiden från idé till faktisk produktion reduceras kraftigt. I nästa fas, alltså produktionsprocessen blir användningen av 3D- skrivare för långsam jämfört med traditionell tillverkning. Däremot passar additiv tillverkning bra för verktyg vid produktionen eftersom det då inte krävs någon specifik kontroll av kvalitet. Dessa komponenter behövs i mindre mängder, exempelvis tre per dag. Emellertid beställer företaget dessa i massmängd, till exempel 1000 åt gången. Med hjälp av additiv tillverkning minskar behovet av lager för sådana komponenter. Dessutom minskar additiv tillverkning kostnaderna för ovanstående komponenter med cirka 9/10 av utgångspriset då mellanhänder inte längre är aktuellt. Då dessa komponenter produceras lokalt elimineras risken för misstag vid beställningar och leveranser.
För att investera i 3D-skrivare kräver en stor budget på grund av att de är så dyra. Renault hade endast två stycken som använde sig av polymerer och deras pris låg på 1000 dollar/styck. För att kunna använda 3D-skrivare som tillåter massproduktion eller snabba processer måste dessa kosta mycket mer. Renault undersökte marknaden för att kunna införa 3D-skrivare för metall och producera bildelar med additiv tillverkning. Resultatet blev att priserna var för höga för metall-3D- skrivare, cirka en miljon euro, vilket i slutändan ledde till att företaget valde bort det alternativet.
De viktigaste faktorerna som Renault fokuserade på, för att fortsätta vara en stark konkurrent i bilmarknaden, var flexibilitet av bilkomponenterna och kostnadsreducering av verktygen som användes i produktionen. 3D-skrivare tillåter ökad variation av biltyper, vilket vid den tiden låg på 11 typer. Vid prototypframtagning användes 3D-skrivarens förmåga till producering av nya komplexa mönster för att minimera behovet av anpassning för resterande bildelar.
Prototypframtagning möjliggjorde kostnadseffektiv testning av idéerna.
Arbetsmiljön ändrades inte nämnvärt på Renault vid införandet av 3D-skrivare eftersom de inte användes i så pass stor utsträckning för att påverka produktionsprocessen. Ännu mindre är påverkan hos större företag som inte är så känsliga för mindre förändringar. Däremot påverkade 3D-skrivare innovationen i företaget. Till följd av effektivare testning av idéer uppstod det ett större innovationsflöde inom företaget.
TESI HAJZERI 24
Snabbare 3D-skrivare med möjlighet till massproducering och användning av olika material i samma komponent skulle ta additiv tillverkning till nästa utvecklingsnivå. Additiv tillverkning påverkar energiförbrukningen eftersom näringskedjan förkortas men kvantiteten av reduceringen beror helt på karaktäristiska dragen av komponenterna exempelvis komplexitet. Emellertid minskar 3D-skrivare rejält materialförbrukningen då det är en precis teknik utan behov av formar.
6.2 SAMMANDRAG AV INTERVJU MED RENAULT ÅR 2018 (5/5 2018)
Denna intervju fokuserar på Renaults förhållning till additiv tillverkning i dagens läge.
Respondenten heter Henrique Toso och jobbar som forskare sedan 2015 i Renault Brazil. Han är specialiserad inom additiv tillverkning och hans fokus ligger på att förbättra 3D-skrivarnas funktioner och tillämpningar samt hitta nya innovativa applikationer av additiv tillverkning.
Renault har ökat antalet 3D-skrivare sedan 2016 med fyra stycken och kvaliteten samt flexibiliteten av 3D-skrivarna har förbättrats dubbelt så mycket. Detta i samband med att 3D-skrivarnas priser har gått ner väldigt snabbt leder till att Toso anser att additiv tillverkning utvecklas i rask takt.
Renault har totalt sex stycken 3D-skrivare tillgängliga för främst användning inom prototypframtagning eller verktygsproduktion. Prototyperna hos Renault framtas främst med syfte att undersöka ifall en komponent kan monteras i bilen. Kortare ledtid för processen från idé till prototyp och kostnadsreduceringar på cirka 70% är de två viktigaste orsakerna till att 3D-skrivare passar bra för prototypframtagning och verktygsproducering. Detta beror på att inga mellanhänder, lagerkostnader, leveranser, risk för förseningar eller extra arbetskraft krävs. Däremot har 3D- skrivarna hos Renault ganska låg upplösning men det finns mycket bättre 3D-skrivare som kan producera i nästan samma kvalitet som traditionell tillverkning. Då kan även andra parametrar såsom hur vinden påverkar komponenten undersökas.
Att implementera 3D-skrivare i Renault på produktionen av själva bildelarna är omöjligt för tillfället eftersom 3D-skrivare används fortfarande i forskningsmiljö och produktionen av en bil kräver otroligt hög precision och konformitet så att säkerhet inte äventyras. Dessutom är hastigheten som 3D-skrivare skriver ut med idag ett stort problem då Renault fortsätter producera bilar med väldigt hög hastighet.
Däremot har produktiviteten och effektiviteten förbättrats genom att exempelvis vissa dyra metallverktyg har bytts ut till billiga, lokalt additivt producerade polymerverktyg, vilket har reducerat deras kostnader med cirka 80%. Toso anser att den viktigaste faktorn för ett bilföretags konkurrenskraft är kvalitet eftersom säkerheten måste bibehållas väldigt hög. De använder sig av SLS metoden, vilken uppnår ganska hög kvalitet men det är fortfarande svårt att implementera på grund av den krävda säkerheten. Metoden måste testas under flera decennier för att en riktig uppfattning av hur komponenterna påverkas i längden ska erhållas. Vidare är färre komplikationer vid monteringsfas en väldigt viktigt för att skynda på slutproduktsprocessen och minimera kostnader. Additiv tillverkning möjliggör komplicerade delar med väldigt lite monteringsbehov men det är åter igen den låga produktionshastigheten av 3D-skrivare som hämmar
