Norsk bidrag til kombinert revolusjon av 3D-printing og robotikk

Riktig bruk av additiv, subtraktiv og transformativ teknologi kan gi store gevinster for produserende industri. Forskningsprosjektet HYROMAN søker å gi en løsning som vil kunne gi økt produktivitet, redusert bruk av energi og minimalisere produksjonsavfallet. Det norske selskapet 3D-Components AS har hendene på rattet.

Illustrasjon av HYROMAN plattformen. Roboten til høyre deponerer materialer, mens roboten til venstre maskinerer, overflatebehandler, og utfører andre etterbehandlinger.

Illustrasjon av HYROMAN plattformen. Roboten til høyre deponerer materialer, mens roboten til venstre maskinerer, overflatebehandler, og utfører andre etterbehandlinger.

Opprettet

Additive manufacturing (AM), oftest omtalt i mediene som 3D-printing (3DP), har blitt forespeilet en disruptiv industriell revolusjon i den forstand at teknologien har potensialet til å effektivisere og utkonkurrere alle aktivitetsledd i verdikjeden fra råvarer og inngående logistikk, til drastiske kutt i “materialsvinn” innenfor tilvirkning, og samtidig tilby et produksjonsparadigme hvor det ikke lenger er behov for kostnadsintensive distribusjons- og logistikkfunksjoner ettersom all produksjon skjer “on-site”. En refleksjon av disse ovennevnte egenskapene finner vi i markedsutviklingen for AM/3DP teknologi, der tidlige “first-movers” utvilsomt vil kunne dra nytte av en lukrativ mulighet. I den siste rapporten fra Wohlers Associates spås en estimert markedsverdi for AM/3DP på 20 milliarder dollar i 2020. Videre hevder Siemens at 3D-printere vil oppleve en 50 prosent reduksjon i pris, og at teknologisk utvikling vil sørge for opptil 400 prosent økning i printhastighet de neste fem årene.

Wholers Report estimerer en markedsverdi for AM/3DP på 20 milliarder dollar i 2020.

Wholers Report estimerer en markedsverdi for AM/3DP på 20 milliarder dollar i 2020.

Norsk bedrift på kartet

Problematikken i forhold til treg strategisk adopsjonstilnærming for norske industrielle aktører når det kommer til AM/3DP teknologi har derimot opptil nå ikke ligget på produksjonsteknologiens manglende potensiale. Tvert om kan det virke som at den omfattende omtalen har ført til en oppfatning om at teknologien er ”hypet” og umoden, noe som har nødvendiggjort behovet for kritisk analyse for å besvare tiltalen. Uavhengig av om du er en tviler, eller helfrelst ambassadør, er debatten rundt fordeler og ulemper forbundet med AM/3DP teknologi utelukkende interessant for dagens, så vel som morgendagens beslutningstakere. Denne artikkelen gjør derfor et forsøk på å stimulere akkurat denne debatten, og samtidig kaste lys over de viktigste industrielle, bedrift- og samfunnsøkonomiske aspektene hvor 3DP/AM teknologi kan utgjøre en forskjell. I tillegg, vil artikkelen ta for seg en ny additiv prosessteknologi, der en norsk oppstartbedrift har plassert seg på det europeiske kartet som deltager i et stort FoU-prosjekt med bestående av ni partnere fordelt over hele Europa.

Karbon-fotavtrykk og samfunnsøkonomiske implikasjoner

Siemens hevder at 3D-printere vil oppleve en 50 prosent reduksjon i pris, og at teknologisk utvikling vil sørge for opptil 400 prosent økning i printhastighet de neste fem årene.

Siemens hevder at 3D-printere vil oppleve en 50 prosent reduksjon i pris, og at teknologisk utvikling vil sørge for opptil 400 prosent økning i printhastighet de neste fem årene.

Fra både et profittmaksimerings- og samfunnsøkonomisk perspektiv eksisterer det i dag en etablert konsensus, når det gjelder det nåværende industrielle paradigmes manglende evne til å imøtekomme krav som økende etterspørsel i markedet, som støtter organisatorisk vekst og kostnadseffektivitet, samtidig som det tilrettelegges for et lavere karbonavtrykk.

 

Ser vi på tall fra 2015 ble 53,9 millioner tonn CO-ekvivalenter i alle utslippsklassene registrert på norsk jord. Industri (23%), og olje og gass (28%), sto for halvparten av de totale utslippene i landet, mens i den mest energikrevende transportsektoren, registrerte utslipp på 16 prosent. På 2016 global innovasjon indeks (GII), den ledende referansen for nasjoners innovasjonsevne, befant Norge seg på en beskjeden 22. plass, med andre nordiske naboer som Sverige (2), Finland (5), og Danmark (8) foran seg med ganske god margin.

 

I tråd med Europakommisjonens Horizon 2020-prosjekt, rettet mot støtte av bærekraftig forskning innenfor innovasjon og teknologi, har det langvarige målet for den norske regjeringen vært 20-20-20 målet i 2020, som innebærer å kutte klimagassutslipp med 20 prosent, energiforbruket med 20 prosent, og øke bruken av fornybare energiløsninger med 20 prosent. AM/3DP teknologi tilbyr derfor en spennende og potensiell løsning som tar sikte på å begrense klimagassutslipp på tvers av alle de ovennevnte utslippssektorene, men også for hver målsatte kategori i 20-20-20-løftet. Viktigst av alt er at det er mulig uten at det går ut over konkurranseevnen til selskaper som opererer i sine respektive industrier. Eksempelvis i produksjonsindustrier muliggjør AM/3DP-tilvirkning av fullversjons sluttprodukter basert på såkalte "gitterstrukturert design", så mye som opptil 96 prosent reduksjon i råvarebruk sammenlignet med tradisjonelle subtraktive metoder.

Et annet eksempel som støtter korrelasjonen mellom økonomiske og miljømessige fordeler ved bruk av AM/3DP teknologi er forskning som viser at 95-98 prosent av metallråvarer er mulig gjenvinnbare ved additiv tilvirkning. På en annen side er det på nåværende tidspunkt vanskelig å sammenligne verdikjederelaterte kostnader som eksempelvis total landed costs (TLC) - definert som summen av alle kostnader fra alle ledd i verdikjeden til det eksisterer et inntektsgrunnlag, med den samfunnsøkonomiske gevinsten fra en reduksjon i CO og klimagassutslipp. Uten å gå alt for mye i dybde nå akkurat på det temaet, kan man også argumentere for at CO-avgifter/klimakvoter i transport og produksjonsvirksomhet har en viktig og sentral rolle i det samfunnsøkonomiske bidraget. I hvilken grad AM/3DP-teknologi vil påvirke denne samfunnsøkonomiske inntektsposten blir dessverre ren spekulasjon og krever mer innsikt.

Konvergerende interesser i mellom ide- og verdiskapende fase

HYROMAN-plattformen er den mest stabile løsningen for bredt spekter av produksjonsmengden og samtidig redusere prisen for hele spekteret.

HYROMAN-plattformen er den mest stabile løsningen for bredt spekter av produksjonsmengden og samtidig redusere prisen for hele spekteret.

I motsetning til konvensjonelle tilnærminger er det sannsynlig at 3DP/AM i større grad vil kunne fostre et bredere og mer samarbeidende kompetansemiljø. Med dette menes det at ettersom avstanden imellom ide og verdiskapning kuttes betraktelig ved kutt av mellomliggende produksjonstrinn, vil også menneskene som er med i utviklingen være tettere på hverandre og lettere kunne dele erfaringer og beste praksis. Siden design er den dominerende aktiviteten i 3DP/AM, vil produktmiksen lett kunne endres og tilpasses nye trender, og optimalisering av produktdesign vil gå raskere og mer sømløst ettersom endringer i CAD-programvaren er tilstrekkelig mens maskinene opererer automatisk uten tilsyn. På den måten bidrar AM/3DP til å konvergere interessene til ledelsen og produksjonsmedarbeidere i forhold til effektivitet, miljø og sikkerhet.

I produktutvikling muliggjør AM/3DP en sammensmelting av flere designelementer, inkludert opptrapping av konseptutvikling gjennom kompetanseheving, som igjen legger til rette for radikale og raskere forbedring av produkter. Med andre ord innebærer ubegrensede designmuligheter at tidligere generasjoner av konsept- og produktutviklere, besatt av produkt design og dets produserbarhet, nyter delvis frigjøring fra gamle begrensninger ved bruk av AM/3DP teknologi, mens nye generasjoner ikke lenger har behov for å mestre det hvis de er dedikerte AM/3DP-teknologer. Sluttbruker vil også i mye større grad kunne ta del i idefasen uten ekstra pålagt kostnader ettersom en enkel endring i 3D-CAD programvaren er tilstrekkelig for å endre farge, form og egenskaper for ethvert produkt. Dette bryter ned terskelen for BTO (built-to-order) produksjonsmiljøer betraktelig, og åpner dørene for skreddersydde verdikjedestrategier utover det som i dag er mulig for høyt tilpassede og geometrisk komplekse komponenter.

Tilnærmet ubegrensete designmuligheter gjennom digitale CAD-verktøy.

Tilnærmet ubegrensete designmuligheter gjennom digitale CAD-verktøy.

 

Nytt verdikjedeparadigme med nye muligheter

På tross av manglende empiriske beviser som konsekvens av AM/3DP teknologiens korte fartstid, er det relativ stor enighet mellom akademiske og praktiserende miljøer at den samfunnsøkonomiske gevinsten av et skifte fra en sentralisert til en desentralisert produksjon, med andre ord en mer regional produksjonsmodell, innebærer fordeler som kortere avstand mellom verdiskapende produksjonsaktiviteter, som videre har direkte påvirkning på verdikjedens evne til å skape økt verdi som resultat av redusert transportvirksomhet. Legger man alle de overnevnte faktuelle kildene på bordet ser vi at det fra et rent bærekraftig perspektiv, råder liten tvil om at såkalte AM/3DP-drevne smarte fabrikker vil være formålstjenlig for å nå 20-20-20 målet satt av regjeringen.

 

Videre er det heller ikke utenfor sin plass å hevde at det er en sammenheng mellom bedriftsøkonomiske og samfunnsøkonomiske perspektiver. Mye tyder på at konkurransefortrinnet til globale verdikjeder på sikt vil svekkes som direkte konsekvens av politiske vedtak om avgiftskvoter på CO og miljøgasser. Der det tradisjonelt for større aktører har vært tilstrekkelig med velgjennomtenkte verdikjedestrategier som modularisering og postponement forbundet med globale verdikjedenettverk, og som inntil videre har sørget for god konkurransedyktighet selv for produkter i svært fleksible markeder, er evolusjonen av tilsvarende strategier på bristepunktets rand, spesielt i markeder der graden av produktkompleksitet og tilpasning er høy. I den forstand kan man med relativ sikkerhet tørre å påstå at mange tradisjonelle globale verdikjeder vil måtte gjennomføres drastiske endringer for å konkurrere i framtiden, noe AM/3DP-teknologi tilbyr et løfte om å kunne hjelpe til i realiseringen av.

 

Global endringsledelse i produksjon og verdikjeder – hvem tar ansvaret?

Det er en dårlig bevart hemmelighet at dette innlegget bærer åpenbare preg av subjektivitet og forherligelse av det enorme potensialet og spennende mulighetene som AM/3DP-teknologi byr på. På tross av de mange positive egenskapene til AM/3DP, er det stadig vekk mange spørsmål som skal besvares, og mange problemstillinger som skal løses før den forespeilede 3. industrielle revolusjonen og den digitale industrielle hverdagen, kalt Industri 4.0, kan vaie sitt 3D-printede flagg i de fire verdenshjørner – eller var det fem?

Likevel kan man på overordnet nivå argumentere for at et flertall industrier vil være tjent med en overgang fra tradisjonelle verdikjeder ettersom det blir mer og mer åpenbart at fremtidens konkurranseevne er på vei i en retning gjennom en bærekraft rundkjøring. De store spørsmålene rundt hvem som skal gå i bresjen og tilrettelegge for et potensielt kommende paradigme skift, ligger fortsatt ubesvarte.

 

Det er ofte slik at når man snakker om omveltninger, som infrastrukturelle dimensjoner, må statlige virkemidler tas i bruk og “tvinge” markedsaktørene til å tenke annerledes. Det store spørsmålet er, og forblir derfor hvem skal ta ansvaret? Er norske selskaper dristige nok til å iverksette og implementere en paradigmatisk innovasjon der de ikke bare endrer måten de gjør ting på, men går så langt at de redefinerer hva slags verdiskapning de driver med? Skal man vente på ”proof-of-concept” hos globale industribedrifter? Hvis så trenger man ikke se lenger enn til GE Aviation som allerede i 2014 åpnet fabrikk i Auburn der de har dedikerte produksjonsgulv med opptil 300 AM-systemer som produserer deler til deres LEAP turbinmotor. Sist, men ikke minst, hvilken rolle skal den norske stat ha i overgangen fra konvensjonell produksjonsvirksomhet til AM/3DP-drevne ”smarte fabrikker”? Skal Staten skape kontrollbaserte insentiver gjennom klimakvoter og reguleringer, eller skal de være aktive tilretteleggere for FoU-aktiviteter som øker den tekniske kompetansen og dermed konkurransedyktigheten til norsk industri? Allerede i 2012 åpnet National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII) i Youngstown, Ohio. Med tilstedeværelse av blant annet 40 markedsledende selskaper inkludert IBM, Boeing, Lockheed Martin etc., og ni utdanningsinstitusjoner, der iblant Penn State og Carnegie Mellon, gjorde den amerikanske staten det første investeringstrekket i en planlagt investering på $ 1.0 mrd. dollar fordelt på 15 tilsvarende fasiliteter på landsdekkende basis.

Kort oppsummert er det globale racet allerede i gang når det gjelder hvem som på best mulig vis kan utnytte potensialet til AM/3DP.

Ettersom norsk industri opptar en relativt liten plass i det globale industribildet, befinner vi oss i en unik posisjon i nordisk og europeisk sammenheng til å dra fordel av den kommende serien av tiltak knyttet til global endringsledelse når det gjelder bruk og integrering av mer bærekraftige løsninger i infrastruktur.

På tross av mange spørsmålstegn omkring hvem som skal ta ansvaret for de forskjellige etappene, er det eneste vi kan si med sikkerhet at teknologien har kommet for å bli, og det er opp til dagens beslutningstagere, i privat så vel som offentlig sektor, å ta de viktige valgene allerede i dag, slik at vi som kommer etterpå ikke sitter med oppvasken.

En norsk oppstartbedrift (3D-Components AS) har innsett det store potensialet til AM/3DP, og har slått seg sammen med ni europeiske selskaper, universitet, høgskoler og forskningssentre for å bygge et autonomt additiv produksjonssystem som deponerer, maskinerer og etterbehandler komponentene i et og samme produksjonssystem.

HYROMAN – Den nye kjempen i hybrid produksjonsteknologi?

Forestill deg et produksjonssystem for neste generasjons multimaterielle metallprodukter som kombinerer additive, subtraktive og transformative produksjonsteknologier i et og samme system. Er det noe du kunne være interessert i? For noen er disse terminologiene greske, mens for fagfolk i diverse produksjonsmiljøer høres dette kanskje alt for godt ut til å være sant.

GE Aviation benytter additiv produksjon til sine LEAP turbinmotorer.

GE Aviation benytter additiv produksjon til sine LEAP turbinmotorer.

Spørsmålene mange stiller seg til et slikt system er naturlig nok hvilken innvirkning en slik hybridløsning vil ha på måten vi designer og produserer multimaterielle metaller?  I hvilken grad vil det påvirke tilvirkningskostnad og produksjonsavfall? Hvilken påvirkning vil det ha på produksjonsfrekvens per enhet? Ligger svaret på hva vi kan kreve av neste generasjons produksjonsplattformer i å kombinere alle de ovennevnte teknologiene, og sist, men ikke minst er det et reelt behov for et slikt system? Forskningsprosjektet HYROMAN prøver å gi svar på alle disse spørsmålene. Og de involverte hevder de allerede har svaret.

21.januar 2017 leverte et konsortium på 10 europeiske samarbeidspartnere bestående av forskningsinstitusjoner, akademia og private selskaper en søknad til Europakommisjon, nærmere bestemt FoU-initiativet Horizon 2020. I underkategorien FOF-07-2017 - integration of unconventional technologies for multi-material processing into manufacturing systems, leverte de en klar plan om hvordan et slikt system skal realiseres.

 

Europeisk samarbeid som driver for kompetanseheving

Propell viser uferdige og ferdige overflater ved hjelp av additiv, subtraktiv og transformativ teknologier.

Propell viser uferdige og ferdige overflater ved hjelp av additiv, subtraktiv og transformativ teknologier.

I mer klartekst er HYROMAN et europeisk FoU-initiativ som har til hensikt å bygge et innovativt produksjonssystem som muliggjør smidig og kostnadseffektiv produksjon av nye multimetallkomponenter (f.eks funksjonelt gradert materiale). Basert på nye tilnærminger vil HYROMAN kunne tilby feilfri og rask produksjon av multimetallkomponenter.

Plattformen består av et avansert robotsystem som består av en deponeringsrobot (additiv) for utformingen av en gitt komponent, utstyrt med en in-situ maskineringsstasjon (subtraktiv) og med en in-situ overflatebehandling (transformativ) som har til hensikt å redusere produksjonstid, og som videre er mindre resurs- og plasskrevende. Ettersom HYROMAN-plattformen tar i bruk lavkost "net-shape" teknologier som erstatter behovet tradisjonelle, kostnadsintensive fremgangsmåter, er det forventet en betydelig reduksjon i kostnader, energiforbruk og produksjonsavfall. Kombinasjonen av de tre ovennevnte interaktive prosessene kan derfor betraktes som et stort gjennombrudd innen produksjon og bearbeiding av multimetallkomponenter.

 

Siden HYROMAN prosjektet ikke kan betegnes som noe annet en å være ambisiøst av natur, er det europeiske samarbeidet strategisk satt sammen for å oppnå de høye tekniske kravene som stilles til en slik produksjonsplattform. Prosjektets overordnede målsetning er å levere en «ende-til-ende»-løsning som nevnt å integrere additive, subtraktive og transformative prosesser som muliggjør kostnadseffektiv produksjon av komplekse deler. Videre er det fysiske resultatet av foreningen mellom disse prosessteknologiene å designe, utvikle og demonstrere en helautomatisk produksjonsplattform som kan brukes til å produsere multimetalliske (FGM) deler. En vellykket integrering av samtlige prosessteknologier vil videre ha positiv innvirkning på: (1) produksjonskostnad, (2), produksjonsavfall, og (3) produksjonstid.

 

Ved å utnytte hver av konsortiumpartnernes kjernekompetanse, har prosjektet til hensikt å oppnå innovasjon innenfor følgende områder:

 

  1. HYROMAN er først og fremst et tverrfaglig prosjekt som vil gi grunnlag for å skyve de teknologiske grensene innenfor ulike fagfelt framover, og dermed bidra til økt teknisk kompetanse (TRL) og forståelse for additive teknologier.

 

  1. HYROMAN plattformen vil videre legge til rette for en mer allsidig og fleksibel design og produksjonsfase. Kombinasjonen additive, subtraktive og transformative prosesser gjør at HYROMAN er blant de første i klassen til å samle hele spekteret av produksjonsteknologier i en og samme løsning.
Illustrasjon av HYROMAN plattformen. Roboten til høyre deponerer materialer, mens roboten til venstre maskinerer, overflatebehandler, og utfører andre etterbehandlinger.

Illustrasjon av HYROMAN plattformen. Roboten til høyre deponerer materialer, mens roboten til venstre maskinerer, overflatebehandler, og utfører andre etterbehandlinger.

 

  1. Den store utfordringen for vellykket integrering av de tre prosessteknologiene, er et velraffinert menneske-maskin-grensesnitt. Dette betyr at HYROMAN ønsker å demokratisere løsningen slik at enhver maskinoperatør er i stand til å mestre bruken av CAD-programvaren forbundet med plattformen. Denne tilnærming er viktig siden CAD-pakker er tilgjengelig for små og mellomstore brukere som vanligvis er forberedt på å bruke den. Kodegenerering kan være tilgjengelig (helst), men det kan også være basert på tjenester, eller fjernkommunikasjon.

 

  1. High-Level-Programming (HLP) er et verktøy som innhenter geometriske data for å generere en "tool-path" for planlegging av produktutformingen. HLP bidrar til drastiske kutt i tiden mellom design og utforming av komponenter, og selve produksjonen. For HYROMAN-plattformen innebærer dette at brukere mer interaktivt kan utforske kombinasjonen av additiv, subtraktiv og transformativ produksjon med hjelp av avanserte menneske-maskin-brukergrensesnitt.

Høye forventninger til HYROMAN som produksjonsplattform

Forventningene til hva HYROMAN vil kunne levere har til fort blitt en «snakkis» i diverse forskningsmiljøer, spesielt når man ser på forventet effekt i sammenligningen med tradisjonelle produksjonssystemer. Produksjonsplattformen er designet for å ha stor påvirkning på følgende områder:

 

  • Forventet reduksjon på minst 20 prosent i produksjonstid grunnet optimalisering av reell ventetid mellom produksjonstrinnene.
  • Forventet reduksjon på minst 25 prosent i produksjonskostnader for enkle komponenter, og 50 prosent for mer komplekse komponenter.
  • Minst 50 prosent bedret ressurseffektivitet med som konsekvens av: å redusere bruken av råvarer; redusere energiforbruket; redusere produksjonsavfall, og å eliminere behovet for å flytte deler mellom forskjellige arbeidsstasjoner.
  • Forventet økning i evne til å produsere kompliserte deler, og samtidig tilby høyere fleksibilitet ved bruk av high-level programming (HLP).
  • Tilby en mekanisme for automatisert kvalitetskontroll i plattformen som baserer seg på ”sanntid” robotisk visualisering og multisensorale systemer som bidrar til å oppnå svært høy kvalitet i prosesseringen.
  • Tilby en bro over det teknologiske kunnskapsgapet i denne type hybrid produksjonsoperasjoner i form av a) interoperabilitet; b) CAD-grensesnitt og c) materialteknikk.
  • Bidra til å styrke den globale posisjonen til europeisk industri og tilhørende verdikjede gjennom intensiv implementering av innovative og ukonvensjonelle teknologier.
  • Åpne dører for små og mellomstore aktører i markedet som søker mindre kapitalkrevende løsninger enn allerede eksisterende alternativer.

 

 

Driftsplan og finansieringsdetaljer for HYROMAN

 

Totalt budsjett:

5,000,000.00 €

Totalt personell:

589 Person-Måneder

Total investering:

1,286,000.00 €

Prosjekt varighet:

36 Måneder

Leveransen:

Demo Produksjon Plattform

Starter TRL:

TRL-4

Endelig TRL:

TRL-6

 

Prosjekt er koordinert av:

  • J. Norberto Pires,, Universitetet i Coimbra, Portugal
  • Amin S. Azar, 3D-Components AS, Norge

For mer informasjon om 3D-Components AS se her

Artikkelforfatterne:
Joaquim Norberto Pires, Universitetet i Coimbra, Portugal, Amin S. Azar, 3D-Components AS, Norge og Mats Haugom, 3D-Components AS, Norge

Artikkelforfatterne: Joaquim Norberto Pires, Universitetet i Coimbra, Portugal, Amin S. Azar, 3D-Components AS, Norge og Mats Haugom, 3D-Components AS, Norge