De verschillende mogelijkheden voor laag volume productie

De hedendaagse productietheorie, hulpmiddelen en best practices zijn gericht op het maken van duizenden of miljoenen identieke onderdelen of producten tegen lage kosten per eenheid. Productie op maat en productie van kleine hoeveelheden vereisen een heel andere reeks methoden. Fabrikanten worden geconfronteerd met unieke uitdagingen wanneer zij proberen massaproductiesystemen aan te passen. 

Dankzij de snelle ontwikkeling van fabricagemethoden en materialen zijn er nu echter meerdere technologieën beschikbaar waarmee deze op maat gemaakte en in kleine hoeveelheden geproduceerde onderdelen en producten voor eindgebruik snel en kostenefficiënt kunnen worden vervaardigd. 

Deze blog geeft een overzicht van de verschillende scenario's voor laag volume fabricage, alsmede van technologieën en oplossingen voor de productie van laag volume onderdelen voor eindgebruik.

Wat is laag volume productie?

Laag volume productie verwijst in het algemeen naar productieruns die tien- tot tienduizenden onderdelen opleveren.

Tegenwoordig zijn de meeste traditionele fabricagemethoden zoals gieten of vormen gebaseerd op het concept van massaproductie: het vervaardigen van grote hoeveelheden identieke goederen. Hoewel deze technieken uiterst kostenefficiënt zijn voor massaproductie (meer dan 10.000 onderdelen), vereisen zij standaardisatie, dure machines en gereedschappen die maar zelden productwijzigingen mogelijk maken. 

De tooling voor massaproductieprocessen zoals spuitgieten kan al snel meer dan $10.000 kosten en weken of maanden aan de productietijd toevoegen. Met massaproductie kunnen fabrikanten deze hoge initiële kapitaaluitgaven compenseren met grote orders, aangezien de kosten per onderdeel dalen wanneer de kosten worden verdeeld over duizenden onderdelen. Massaproductieprocessen zijn gericht op het produceren van identieke onderdelen in grote hoeveelheden. Dit beperkt de mogelijkheid om gespecialiseerde of sterk aangepaste stukken economisch te produceren.

De productie van artikelen op basis van unieke specificaties, ook wel custom manufacturing of high-mix low-volume (HMLW) manufacturing genoemd, gebeurt daarentegen traditioneel handmatig in kleine werkplaatsen. Vanwege het hoge aandeel handarbeid en de lagere verwerkingscapaciteit leidt dit tot hogere kosten per onderdeel voor maatwerkproducten. Om dezelfde redenen was het zelden economisch haalbaar om grote hoeveelheden individueel op maat gemaakte goederen te produceren, ook wel mass customization genoemd.

De laatste decennia is er een snelle ontwikkeling geweest in productiemethoden die geschikt zijn voor de productie van kleine volumes. Technologieën zoals Additive Manufacturing (3D-printen), CNC-verspaning en rapid tooling bieden unieke voordelen voor de productie van kleine volumes, maatwerk (high-mix low-volume manufacturing) en mass customization.

Deze voordelen van laag volume productie zijn:

• Lagere kosten: Het elimineren van buitensporige gereedschapskosten die minimale bestellingen vereisen om te worden gecompenseerd, het verlagen van drempels voor markttoegang en het stimuleren van innovatie.
• Snelheid: Verkort de ontwikkelingstijden en de maandenlange productietijden tot slechts enkele dagen of weken om de concurrenten voor te blijven.
• Flexibiliteit: Productieproblemen oplossen, reageren op feedback van klanten, producten snel aanpassen en ontwerpwijzigingen doorvoeren, en dat alles snel en zonder buitensporige kosten.
• Customization: Bied klanten maatwerk en maak producten met een ongekende ontwerpvrijheid, waaronder complexe onderdelen met organische, gerasterde of ingewikkelde vormen zonder extra kosten. 
• Controle: Maak leveringsketens korter en verkort doorlooptijden met lokale, on-demand productie en beperk voorraden van onderdelen of subcomponenten tot het minimum om snel aan veranderende bedrijfsbehoeften te voldoen.

De voordelen van laag volume productie

De behoefte aan innovatie, betere kwaliteit en lagere kosten zet fabrikanten voortdurend onder druk om concurrerend te blijven en hun winst te maximaliseren. Van het overbruggen van de kloof tussen prototyping en massaproductie tot het verminderen van knelpunten in de toeleveringsketen: we bekijken de verschillende voordelen voor laag volume productie.

De Hasbro Selfie-serie biedt de eerste gepersonaliseerde, mass-customized actiefiguren.

Customization

Klanten besteden tegenwoordig meer tijd en geld om producten te vinden die aan hun individuele behoeften en eisen voldoen. Er zijn meer opties voor gepersonaliseerde producten en ervaringen nodig om aan de vraag te voldoen. Laag volume productie kan bedrijven helpen gepersonaliseerde producten op te schalen voor de massamarkt, zonder te hoeven investeren in kostbaar gereedschap. 

Bedrijven kunnen de manier waarop producten worden gemaakt heroverwegen en nieuwe bedrijfsmodellen verkennen die hen dichter bij de behoeften van hun individuele klanten brengen, zoals mass customization

New Balance heeft een limited edition high-performance sneaker op de markt gebracht met 3D-geprinte inlegzolen.

Productinnovatie

Met innovatieve hulpmiddelen zoals 3D-printen kunnen ontwerpers de grenzen van de ontwerpcomplexiteit verleggen, structuren optimaliseren en onderdelen zonder extra kosten op maat maken. Zo kunnen zij unieke producten ontwikkelen die met traditionele methoden moeilijk te vervaardigen zijn.

Met 3D-printers kun je complexe vormen en onderdelen maken die met conventionele productiemethoden duur of zelfs onmogelijk te maken zouden zijn. Denk aan kenmerken als uitsteeksels, microkanalen of organische vormen. Ook kan je meerdelige assemblages consolideren, het gewicht verminderen, zwakke verbindingen verlichten en de assemblagetijd verkorten. Er ontstaan dus nieuwe mogelijkheden voor ontwerp en engineering.

Tension Square produceert een innovatief medisch hulpmiddel met 3D-printen.

Bridge Manufacturing

Bridge manufacturing is de fase in het productontwikkelingsproces die de kloof overbrugt tussen prototyping en productie. Bedrijven in alle sectoren kunnen gebruik maken van laag volume productie om snel en betaalbaar kleinere series onderdelen te produceren voordat ze overgaan op massaproductie. Ze kunnen de risico's van massaproductie beperken door proefversies te gebruiken voor producttesten, pre-sales of marktvalidatie, alvorens zich vast te leggen op dure tooling voor massaproductie. 

3D-geprinte COVID-19-teststaafjes geproduceerd om de wereldwijde pandemie te bestrijden.

Veerkracht van de toeleveringsketen

Mondiale knelpunten in de toeleveringsketen verlengen de doorlooptijden en vormen een grote bedreiging voor de time-to-market van nieuwe producten, de tevredenheid van de klant en het algemene concurrentievoordeel. Laag volume productiemiddelen kunnen worden ingezet voor tijdelijke productie om snel en betaalbaar kleine oplagen te produceren in tijden van schaarste. Bedrijven kunnen hun afhankelijkheid van externe leveranciers verminderen, logistieke verstoringen en geopolitieke kwesties het hoofd bieden en snel reageren op veranderingen in de markt door de productiecapaciteiten in eigen huis te brengen.

Battle Beaver Customs’ Playstation 5-controllers met 3D-geprinte interne onderdelen.

Aftermarket-onderdelen

Aftermarket-fabrikanten maken eindproducten die onderdeel van, of toevoeging aan een bestaand product van de producent van originele apparatuur (OEM) zijn. Voor deze toepassingen is het een grote uitdaging om nieuwe innovatieve producten te introduceren en tegelijkertijd de productupdates van de OEM bij te houden.

Doordat er geen gereedschap meer nodig is, biedt de laag volume productie de flexibiliteit die nodig is om aftermarket-onderdelen op verzoek aan te passen, zowel bij het ontwerp als bij de productie. Aftermarket-bedrijven kunnen complexe geometrieën vervaardigen om de productprestaties te verbeteren of producten op maat van hun klanten te maken. Laag volume productie helpt de voorraad te minimaliseren en zorgt voor continue compatibiliteit via de updates van de OEMs.

Automotive-leverancier Brose heeft de productie van reserveonderdelen via 3D-printen geëvalueerd.

Reserveonderdelen

Wanneer een OEM de productie van een bepaald product of model stopt, moeten zij duizenden onderdelen op voorraad aanhouden om klanten die oude producten hebben en vervangen of gerepareerd moeten worden, van dienst te kunnen zijn. Als de OEM niet genoeg van deze reserveonderdelen maakt en op voorraad houdt, komen grote groepen klanten die deze uit productie genomen modellen nog steeds gebruiken vaak zonder oplossingen te zitten. Het is lastig voor een OEM om precies te berekenen hoeveel onderdelen ze in voorraad moeten hebben. Als ze het te hoog inschatten, krijgen ze te maken met afval- en opslagproblemen. Als ze het te laag inschatten, worden de kopers teleurgesteld. 

Door gebruik te maken van technologieën zoals 3D-printen om zelf reserveonderdelen te produceren, kunnen fabrikanten overschakelen van een fysieke naar een digitale inventaris. Alleen de CAD-modellen worden opgeslagen om on-demand onderdelen te produceren en een verloren of beschadigd artikel te vervangen. 

Technologieën voor laag volume productie

Additive Manufacturing (3D-printen)

3D-printen is al tientallen jaren gangbaar bij prototyping en productontwikkeling. Nu wordt deze volwassen technologie op grote schaal gebruikt bij de productie. In het productontwikkelingsproces maken fabrikanten al gebruik van de flexibiliteit van 3D-printen voor de productie van interne gereedschappen zoals mallen, klemmen en andere productiehulpmiddelen. Ook maken zij rapid tooling zoals matrijzen voor spuitgieten of thermovormen.

Recente vooruitgang in machines, materialen en software biedt mogelijkheden voor de productie van zeer nauwkeurige, functionele 3D-prints die kunnen dienen als onderdelen voor eindgebruik. Dit zijn onderdelen die worden verkocht aan, en gebruikt door, de eindgebruiker. Hierdoor kunnen bedrijven innovatieve producten op de markt brengen en wordt productie op kleine en middelgrote schaal toegankelijk. 

3D-printers worden meestal gebruikt om plastic onderdelen te produceren. 3D-metaalprinters zijn ook beschikbaar, maar dan tegen aanzienlijk hogere kosten. Er zijn veel verschillende soorten 3D-printers. De meest voorkomende processen voor de productie van kunststof onderdelen zijn: Selective Laser Sintering (SLS), stereolithografie (SLA) en Fused Deposition Modeling (FDM).

Scheermeshandgreep
Gillette
SLA 
Custom Resin
Mass customization

Zijschroef voor pomp van jetaandrijving
JetBoatPilot
SLS Nylon 12-poeder
Aftermarket-onderdelen

Behuizing voor het besturingssysteem van een voertuig
IBL Hydronic
SLS = Nylon 11-poeder
laag volume productie

Aangezien 3D-printers geen gereedschap en minimale insteltijd voor een nieuw ontwerp vereisen, zijn de kosten voor de productie van een op maat gemaakt eindproduct verwaarloosbaar in vergelijking met traditionele productieprocessen. 

Additive Manufacturing-processen hebben doorgaans een hogere cyclustijd en zijn arbeidsintensiever dan de productieprocessen die gewoonlijk voor massaproductie worden gebruikt. In vergelijking met conventionele handmatige laag volume productie- en fabricageprocessen betekenen zij echter een aanzienlijke productiviteitssprong. Naarmate de 3D-printtechnologieën verbeteren, zullen de kosten per onderdeel blijven dalen. Daardoor wordt een nog groter aantal toepassingen voor kleine tot middelgrote volumes mogelijk.

De meeste conventionele productieprocessen vereisen dure industriële machines en geschoolde operators, waardoor veel bedrijven gedwongen zijn hun productie uit te besteden aan speciale faciliteiten. 3D-printen daarentegen maakt in-house productie mogelijk. Compacte desktop- of benchtop-3D-printsystemen voor het maken van plastic onderdelen zijn betaalbaar, vereisen zeer weinig ruimte en geen speciale vaardigheden. Professionele ingenieurs, ontwerpers en fabrikanten kunnen hierdoor iteratie- en productiecycli versnellen van maanden tot slechts enkele dagen.

Productieproces van 3D printen

• Ontwerp:Ontwerp jouw model in CAD, of maak een model op basis van een 3D-scan van een bestaand model, een MRI-scan of een intra-orale scan. 
• Printvoorbereiding: Printvoorbereidingssoftware wordt gebruikt voor het oriënteren en leggen van modellen binnen het build volume van een printer, het toevoegen van support structures (indien nodig) en het snijden van het supported model in lagen.
• Printen: Kies de juiste technologie en het juiste materiaal en print het onderdeel op een 3D-printer.
• Nabewerking: Wanneer het printen voltooid is, worden de onderdelen uit de printer gehaald, gereinigd of gewassen, uitgehard (afhankelijk van de technologie) en worden de support structures verwijderd (indien van toepassing). De onderdelen kunnen worden geverfd, gecoat of met andere nabewerkingstechnieken verder worden bewerkt.

CNC-gereedschap

Computer Numerical Control- (CNC-) gereedschappen zijn subtractieve productieprocessen. Zij beginnen met massieve blokken, staven of staven van kunststof, metaal of andere materialen die worden gevormd door materiaal te verwijderen door middel van snijden, boren en slijpen.

CNC-gereedschap omvat CNC-verspaning, waarbij materiaal wordt verwijderd door een draaiend gereedschap en een vast onderdeel (frezen) of een draaiend onderdeel met een vast gereedschap (draaibank). Lasersnijders gebruiken een laser om met hoge precisie een groot aantal materialen te graveren of door te snijden. Waterstraalsnijders gebruiken water gemengd met abrasie en hoge druk om door praktisch elk materiaal te snijden. CNC-freesmachines en draaibanken kunnen meerdere assen hebben, waardoor ze complexere ontwerpen aankunnen. Laser- en waterstraalsnijders zijn meer geschikt voor vlakke onderdelen.

CNC-gereedschappen kunnen onderdelen vormen uit kunststoffen, zachte metalen, harde metalen (industriële machines), hout, acryl, steen, glas en composieten. Ze zijn ideaal voor het produceren van onderdelen op maat of in kleine aantallen, structurele onderdelen en gereedschappen voor een groot aantal industrieën.

In vergelijking met gereedschappen voor Additive Manufacturing is het instellen en bedienen van CNC-gereedschappen ingewikkeld. Ook zijn voor sommige materialen en ontwerpen speciale gereedschappen, behandeling, positionering en verwerking nodig. Dit maakt ze duurder voor eenmalige onderdelen dan additieve processen en beter geschikt voor kleine productieseries.

Verspanen is ideaal voor laag volume productietoepassingen die nauwe toleranties en moeilijk te gieten geometrieën vereisen, zoals riemschijven, tandwielen en bussen. CNC-verspanen heeft lage tot matige instelkosten en kan met korte levertijden componenten van hoge kwaliteit produceren uit een breed scala aan materialen.

Verspaningsprocessen hebben meer beperkingen op het gebied van onderdeelgeometrie dan 3D-printen. Daarbij nemen de kosten per onderdeel toe naarmate het onderdeel complexer wordt. Ondersnijdingen, doorgangen en elementen op meerdere onderdelen verhogen de kosten. Verspanen vereist ruimte voor toegang tot het gereedschap en ook zijn bepaalde geometrieën, zoals gebogen interne kanalen, moeilijk of onmogelijk te produceren met conventionele subtractieve methoden.

Productieproces

1. Ontwerp: Ontwerp jouw model in CAD of maak een model op basis van een 3D-scan van een bestaand model, een MRI-scan of een intra-orale scan. 
2. Werkzaamheden instellen: CNC-machines vereisen een tussenstap van het genereren en valideren van gereedschapspaden (CAD naar CAM). Gereedschapspaden bepalen waar de snijgereedschappen bewegen, met welke snelheden en eventuele gereedschapswissels.
3. Bewerken:De gereedschapspaden worden naar de machine gestuurd waar het opgegeven subtractieve proces begint. Afhankelijk van de gewenste vorm van het eindproduct kan het nodig zijn het werkstuk in een nieuwe positie te brengen zodat de gereedschapskop nieuwe gebieden kan bereiken.
4. Nabewerking: Na de productie wordt het onderdeel gereinigd en ontbraamd, bijgesneden en kan het verder worden nabewerkt met andere afwerkingstechnieken.

Rapid Tooling

Rapid tooling is de groep technieken die wordt gebruikt om snel en efficiënt gereedschap tegen lage kosten te maken voor conventionele productieprocessen zoals spuitgieten, thermovormen of gieten. De gereedschappen worden ingezet om onderdelen sneller of in kleinere hoeveelheden te maken. 

Conventioneel gereedschap wordt meestal vervaardigd uit duurzame metalen met behulp van technologieën zoals verspanen en metaalgieten. Deze processen zijn echter duur en beter geschikt voor grootschalige productiecycli. Wanneer ze worden gebruikt voor iteraties van gereedschappen of om gereedschappen te maken waarmee slechts kleine series onderdelen kunnen worden vervaardigd, stijgen de kosten en lopen de productietijden sterk op.

Door rapid tooling op te nemen in het productontwikkelingsproces kunnen fabrikanten ontwerp- en materiaalkeuzes valideren voordat ze overgaan op massaproductie. Dit versnelt de productontwikkeling, zorgt voor snelle iteratie en brengt betere producten op de markt. Rapid tooling stelt ingenieurs in staat om materialen van werkelijke productiekwaliteit te gebruiken. Zo kunnen ze evalueren hoe de onderdelen in de praktijk zullen presteren en beperkte productvolumes produceren voor bèta- en validatietests. Rapid tooling kan ook helpen bij het oplossen van problemen in het productieproces voordat er wordt geïnvesteerd in dure productiegereedschappen.

Rapid tooling biedt tevens middelen om aangepaste of beperkte series onderdelen voor eindgebruik te produceren met traditionele productieprocessen die met conventionele tooling peperduur zouden zijn. Zo kunnen fabrikanten de markt voor nieuwe producten testen, een breder assortiment aanbieden of onderdelen aanpassen aan de behoeften van de klant.

Rapid tooling kan worden gebruikt ter ondersteuning van diverse conventionele fabricageprocessen om kunststoffen, silicone of rubberen onderdelen, composieten en zelfs metalen onderdelen te produceren.

Productieproces

1. Ontwerp: Ontwerp de mal, het patroon, de matrijs of de master tool in CAD-software.
2. Het produceren van de tooling: Maak de tooling met een 3D-printer of een CNC-gereedschap of maak mallen of gereedschap op basis van een masterpatroon.
3. Productie: Plaats de rapid tooling in uw machine of gebruik het patroon in jouw workflow en voer het productieproces uit.
4. Nabewerking: Voer alle nodige nabewerkingen uit om de kwaliteitsafwerking van een eindproduct te realiseren.

Vergelijking van laag volume productietechnologieën

In-house productie vs. contractproductie

Terwijl bij de productie van oudsher contractfabrikanten en een lange keten van leveranciers betrokken zijn, kunnen bedrijven voor de laag volume productie ook hun eigen productie in-house halen.

Uitbesteding van de productie aan servicebureaus of laboratoria wordt aanbevolen wanneer je slechts af en toe een paar onderdelen nodig hebt en voor onderdelen die groot zijn of waarvoor niet-standaard materialen nodig zijn. Dienstverleners of lokale servicebureaus bieden productie- en laag volume productiediensten op aanvraag. Deze bureaus beschikken doorgaans over meerdere technologieën, waaronder additieve en subtractieve processen en rapid tooling. Zij kunnen ook advies geven over verschillende materialen en diensten met toegevoegde waarde aanbieden, zoals ontwerp of geavanceerde afwerking.

De belangrijkste nadelen van uitbesteding aan dienstverleners zijn de kosten en de doorlooptijd. Eén van de grootste voordelen van de laag volume productie is de snelheid in vergelijking met traditionele fabricagemethoden, die snel afneemt wanneer de uitbestede onderdelen een week of meerdere weken op zich laten wachten. Het uitbesteden van de productie van aag volume onderdelen is vaak ook erg duur. Afhankelijk van het aantal onderdelen en het volume kan een bedrijf vaak binnen een paar maanden quitte spelen door gewoon te investeren in een 3D-printer en zelf te printen.

Met desktop- en benchtop-3D-printers kunnen bedrijven net zoveel capaciteit betalen als hun bedrijf nodig heeft, en de productie opschalen door extra eenheden toe te voegen als de vraag groeit. Door meerdere 3D-printers te gebruiken, krijg je ook de flexibiliteit om onderdelen in verschillende materialen tegelijk te printen. Servicebureaus kunnen deze flexibele workflow nog aanvullen voor grotere onderdelen of niet-conventionele materialen.

Aan de slag met laag volume productie

Verlost van de gereedschapsbeperkingen van conventionele methoden is Additive Manufacturing een krachtige oplossing voor de productie van kleine aantallen onderdelen voor eindgebruik met een minimale doorlooptijd. In-house 3D-printen stelt bedrijven in staat om hun productie in eigen hand te nemen, waardoor productietijd, kosten en risico's worden beperkt. Ontdek het aanbod van Formlabs, Desktop Metal en Ultimaker aan professionele 3D-printoplossingen.

Heb je een idee om gebruik te maken van laag volume productie in je bedrijf, maar weet je niet waar je moet beginnen? Neem contact op met een onze adviseurs om te bespreken hoe je een ideale workflow kunt samenstellen.