ตัวอย่างการใช้งาน เครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker

Camello เป็นมิตรกับผู้ใช้งาน โดยมีพื้นที่เก็บสัมภาระตามหลักสรีรศาสตร์และการออกแบบที่โฉบเฉี่ยว – เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมในเมืองสิงคโปร์ ขณะนี้กำลังดำเนินการตามแผนเพื่อให้ผู้เล่นรายสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ บริษัทจัดส่ง และผู้ค้าปลีกทั่วสิงคโปร์นำไปใช้ เพื่อสร้างระบบนิเวศที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งมอบการส่งมอบที่ราบรื่นและมีประสิทธิภาพให้กับลูกค้า ในขณะที่เพิ่มอัตรากำไรสำหรับธุรกิจที่ใช้ Camello

จุกกำเนิดของ Camello

เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์อื่นๆ มีหลายขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบของ Camello โดย Ultimaker S3, Ultimaker Cura และซอฟต์แวร์ CAD ทำหน้าที่เป็นคู่หูที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของ Yasu และ Final Aim ตลอดกระบวนการ

อันดับแรกคือการพัฒนาและประเมินแนวคิดของหุ่นยนต์ จากจุดเริ่มต้นสู่ความคิด เขาใช้ทั้งแบบร่างการออกแบบที่วาดด้วยมือและซอฟต์แวร์ CAD

เมื่อเขาพัฒนาแนวคิดนี้แล้ว Yasu ก็เริ่มกระบวนการนำเสนอต่อผู้บริหารระดับสูง สมาชิกแนวหน้า และผู้ใช้ปลายทาง แนวทางที่แตกต่างนี้ทำให้ Yasu ได้รับการตอบรับมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งเขาสามารถใช้เพื่อปรับแต่ง ปรับปรุง และปรับปรุงแนวคิดของเขาให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ต่อมาเป็นขั้นตอนการสร้างต้นแบบ เนื่องจากตอนนี้ Yasu มีแนวคิดที่เป็นไปได้มากมาย เขาจึงจำเป็นต้องทำให้เป็นจริงอย่างรวดเร็ว ซึ่งมักมีกำหนดส่งที่คับคั่ง โชคดีที่นี่เป็นงานที่การพิมพ์ 3 มิติสามารถจัดการได้อย่างง่ายดาย เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการสร้างต้นแบบทั่วไปอื่นๆ เช่น การแกะสลักหรือการแกะสลักจากโฟม ไม้เคมี หรือดินเหนียวอุตสาหกรรม การพิมพ์ 3 มิตินั้นมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก ซึ่งทำให้ Yasu มีเวลาทำงานน้อยลงในการออกแบบอื่นๆ

“มากกว่าการลดต้นทุน การพิมพ์ 3 มิติยังเพิ่มมูลค่าให้กับกระบวนการของฉัน” Yasu กล่าว

เพื่อให้ Camello ประสบความสำเร็จ การออกแบบต้องใช้งานง่ายและเข้าถึงได้ตั้งแต่แรกเห็น ดังนั้น ขั้นตอนการออกแบบจึงเกี่ยวข้องกับแนวคิดที่แตกต่าง โดยสำรวจความเป็นไปได้ทั้งหมด จากนั้นจึงจำกัดขอบเขตให้แคบลงอย่างระมัดระวัง ความเร็วในการพัฒนาจึวมีความสำคัญอย่างมากต่อ Stakeholder

การพิมพ์ 3 มิติช่วยให้ Stakeholder เหล่านี้มองเห็นและสัมผัสผลิตภัณฑ์ที่จับต้องได้ ทำให้เข้าใจแนวคิดและการออกแบบของ Camello ลึกซึ้งยิ่งขึ้น และทำให้กระบวนการตัดสินใจคล่องตัวขึ้น

Credit: Ultimaker

เมื่อ Aric Veatch นักศึกษาวิศวกรรม เริ่มช่วยงาน Engineering Makerspace and Invention Center (EMIC) แห่งใหม่ของมหาวิทยาลัยในปี 2017 เขารู้สึกทึ่งกับ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker ของศูนย์มากๆ “การใช้งานได้อย่างยาวนานและการปฏิบัติงานบนระบบ Ultimaker นั้นดีกว่าคู่แข่งและค่าใช้จ่ายก็คุ้มค่ากับการลงทุนมาก” Veatch กล่าวว่า “การได้เห็น เครื่องพิมพ 3 มิติ Ultimaker ทำตามสิ่งที่นักศึกษาคาดหวังให้เป็นสิ่งที่สามารถจับต้องได้คือสิ่งแรกที่ผมคิด”

ในปี 2560 คณบดีวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี Frank Batten แห่งมหาวิทยาลัย Old Dominion ในเมืองนอร์ฟอล์กรัฐเวอร์จิเนีย มีวิสัยทัศน์ในการสร้างพื้นที่ผู้ผลิตขั้นสูงหรือห้องนักสร้างที่นักศึกษาสามารถใช้งานและดำเนินการได้ เป็นผลให้มีการก่อตั้ง Engineering Makerspace and Invention Center มูลค่า 1.5 ล้านเหรียญสหรัฐ ซึ่งเป็นแหล่งข้อมูลสำหรับนักเรียนที่จะทดลองใช้แนวคิดการออกแบบใหม่ๆ ทางศูนย์ตั้งใจนำเสนอทรัพยากรที่หลากหลายรวมถึงการใช้ CADในการออกแบบและทดสอบ การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โลหะ ไม้ และการตัดเฉือนคอมโพสิต การเชื่อม การเก็บผิวละเอียด และรวมถึงการพิมพ์ 3 มิติ

Rafael E. Landaeta, Ph.D, Associate Engineering Makerspace และคณบดีฝ่ายประดิษฐ์ที่ Frank Batten College of Engineering & Technology กล่าวว่า “ศูนย์แห่งนี้สร้างขึ้นโดยมีภารกิจในการผลิตวิศวกรให้เป็นนักคิดเชิงวิพากษ์ ให้เป็นผู้นำและเป็นนักแก้ปัญหา “เป้าหมายของเราคือให้นักศึกษาวิศวกรรมได้เปรียบ รวมถึงเป็นที่ต้องการและตรงตามความต้องการทักษะการจ้างงานของตลาด”

การใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติมีจุดประสงค์เพื่อให้นักศึกษาเข้าถึงเครื่องมือสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถสร้างชิ้นงานที่เสร็จแล้วในพื้นที่ทำงานที่แนบมา ซึ่งมีเครื่องมือการผลิตแบบดั้งเดิมมากมาย อย่างไรก็ตามจากข้อมูลของ Veatch พบว่าคุณภาพของเครื่องพิมพ์และวัสดุการพิมพ์ 3 มิตินั้น เป็นชิ้นงานที่สามารถใช้งานได้จริงและไม่ได้เป็นเพียงการสร้างต้นแบบในพื้นที่ผู้ผลิตทั่วๆไป

“เราต้องการมีเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่หลากหลาย แต่เราให้ความสำคัญกับชื่อเสียงของผู้ผลิตและความน่าเชื่อถือของการให้บริการที่มีมาอย่างยาวนาน และความง่ายของวิธีการใช้งานผลิตภัณฑ์” Dr. Orlando Ayala ผู้อำนวยการของ EMIC กล่าว  “ปฏิเสธไม่ได้ว่า เครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker นั้นตรงตามเกณฑ์ทุกอย่าง”

วิวัฒนาการของการเรียนรู้

EMIC ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถคิดและสร้างต้นแบบของแนวคิดเหล่านี้ได้ และมีนักเรียนจำนวนมากที่กระตือรือร้นที่จะใช้โอกาสนี้ในการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบตั้งโต้ะ Ultimaker S3 จำนวนสองเครื่อง และ S5 จำนวนหนึ่งเครื่องซึ่งได้กลายเป็นส่วนหนึ่งของหลักสูตรแผนกวิศวกรรมในเวลาอันรวดเร็ว Veatch ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นผู้จัดการฝ่ายปฏิบัติการนักศึกษาซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา เพื่อใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติและระบบวิศวกรรมอื่นๆ ใน EMIC

“การใช้งานของเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว” เขากล่าว “ภายในเดือนพฤศจิกายน 2019 เครื่องพิมพ์ทั้งหมดมีถูกใช้งานอย่างต่อเนื่องและเราได้สั่ง Ultimaker S3 จำนวนอีกเครื่องหนึ่งเพื่อรองรับทุกความต้องการ”

Ultimaker ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ Fused Filament Fabrication (FFF) และมีขนาดกะทัดรัดพอที่จะวางบนโต๊ะทำงานได้ ในขณะที่ให้ขนาดโครงสร้างของชิ้นงานที่ใหญ่ซึ่ง S3 มีขนาดโครงสร้างสูงสุด 230 x 190 x 200 มม. พร้อมหัวฉีดวัสดุแบบคู่ และ S5 สามารถสร้างขนาดชิ้นงานได้มากถึง 330 x 240 x 300 มม.—และเครื่องพิมพ์ทั้งสองแบบมีความหนาของชั้นที่เล็กถึง 20 ไมครอน

ข้อกำหนดเหล่านี้ทำให้นักเรียนคิดการใหญ่ได้ แนวคิดและชิ้นงานต่างๆถูกสร้างขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดที่ชิ้นงานที่นักเรียนสร้างนั้นไม่ได้เป็นเพียงการออกแบบและผลิตชิ้นส่วนประกอบการเรียนการสอนอีกต่อไป แต่ยังสามารถเอาไปทดลองและผลิตชิ้นส่วนเพื่อความท้าทายด้านวิศวกรรมอื่นๆ

ชิ้นงานที่ผลิตขึ้นมีตั้งแต่ Fidget Spinner และหน้ากากตัวละครไปจนถึงชิ้นส่วนที่หาแหล่งที่มาได้ยากสำหรับยานพาหนะ

Ultimaker ยังนำเสนอวัสดุมากกว่า 150 รายการให้กับลูกค้าและนักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ก็จดจ่ออยู่กับสิ่งที่ตนชื่นชอบอย่างรวดเร็ว “วัสดุที่ Ultimaker ส่งมาให้โดยเฉพาะ TPU และ PLA ถูกทำให้เหมาะสมในการทำชิ้นงานสำหรับใช้จริงทางวิศวกรรมบางอย่าง เช่น บุชชิ่งสำหรับการเปลี่ยนเกียร์” Veatch กล่าวว่า “เป็นเรื่องที่น่าทึ่งมากที่ได้ชมวิวัฒนาการในสิ่งที่นักเรียนเชื่อว่าสามารถเป็นไปได้ด้วยการพิมพ์ 3 มิติ”

ท้ายที่สุดแล้วเขากล่าวว่า การพิมพ์ 3 มิติช่วยให้เกิดวิศวกรรุ่นใหม่ที่คิดเกี่ยวกับพื้นที่ 3 มิติและมีการพัฒนาทักษะในอัตราที่เร็วขึ้น Dr. Landaeta กล่าวว่า “ประสบการณ์ของผู้สร้างพื้นที่กับ Ultimaker นั้น หมายความว่าวิศวกรนักศึกษาของเราถูกพัฒนาทักษะได้เกินความคาดหมายอย่างสมบูรณ์และบรรลุผลสำเร็จได้อย่างไร” “เราประทับใจกับงานของนักศึกษามาก”

ความง่ายของการทำงาน

Veatch ได้พูดถึงประโยชน์ด้านการผลิตโดยการใช้แพลตฟอร์มของ Ultimaker ดังต่อไปนี้: ใช้งานง่าย การบำรุงรักษาง่าย วัสดุมีคุณภาพสูง ซอฟต์แวร์ครอบคลุมและทำให้ต้นทุนการผลิตต่ำ

“เมื่อผมนำเครื่องพิมพ์ 3 มิติออกจากกล่องก็ใช้เวลาเพียงแค่ครึ่งชั่วโมงในการเริ่มทำงาน” Veatch กล่าว “เนื่องจากคุณสามารถเปลี่ยนหัวพิมพ์ได้อย่างง่ายดาย จึงช่วยให้เครื่องพิมพ์ทำงานต่อได้ง่ายในขณะที่คุณซ่อมอีกเครื่องหนึ่ง”

นอกจากนี้ เขายังกล่าวถึงวัสดุคุณภาพสูงที่มาพร้อมกับ Ultimaker ซึ่งรวมถึงวัสดุ PLA และ TPU แต่ยังให้อิสระในการจัดหาและใช้เส้นของแบรนด์อื่นๆได้โดยไม่มีข้อจำกัด ระบบ Ultimaker ทั้งหมดมาพร้อมกับซอฟต์แวร์ Cura ซึ่งเป็นโซลูชันซอฟต์แวร์การเตรียมการพิมพ์ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้ได้ฟรี ซึ่งหลักๆทำงานร่วมกับรูปแบบไฟล์ CAD และยังเป็น opensource ทำให้ทุกคนสามารถใช้งานได้

“ซอฟต์แวร์ Cura นั้นยอดเยี่ยมสำหรับการเตรียมการพิมพ์” เขากล่าว “คุณสามารถเปลี่ยนแปลงข้อมูลการพิมพ์ได้ทันทีระหว่างการพิมพ์ซึ่งเหมาะสำหรับการแก้ไขปัญหาโดยไม่ต้องเริ่มการสร้างใหม่ทั้งหมด”

เรียนวิศวกรรมในชั้นเรียนเสมือนจริง

จากสถานการณ์ในปัจจุบันมีคำสั่งให้นักศึกษาและคณาจารย์ในสถาบันการศึกษาทั่วประเทศอยู่แต่บ้าน ทำให้หลายชั้นเรียนต้องหยุดชะงัก อย่างไรก็ตามทั้ง Dr. Landaeta และ Dr. Ayala ได้พัฒนาอย่างก้าวกระโดดในฐานะการศึกษานำร่องเกี่ยวกับวิธีการศึกษาด้านวิศวกรรมในสภาพแวดล้อมเสมือนจริง

“กระบวนการทางวิศวกรรมเสมือนนั้นประสบความสำเร็จในการดำเนินการทั่วทั้งองค์กรการค้า” ดร. Landaeta กล่าว “อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จำเป็นต้องมีการลงทุนที่ดีในด้านเวลาและเทคโนโลยี สามเดือนที่ผ่านมาได้เร่งสิ่งที่เราเชื่อว่าจะใช้เวลาหลายปีกว่าจะกลายเป็นเรื่องปกติในงานวิศวกรรม”

ดร. Landaeta ชี้ให้เห็นว่าการเรียนวิศวกรรมส่วนใหญ่ต้องการการทำงานจริงสำหรับการผลิตชิ้นงานและผลิตภัณฑ์ ซึ่งหมายความว่าในขณะที่งานออกแบบสามารถดำเนินการได้อย่างง่ายดายในพื้นที่เสมือน กระบวนการสร้างต้นแบบ การทดสอบ การผลิต และการบำรุงรักษา ยังคงต้องการทีมขยายในพื้นที่ทางกายภาพ อย่างไรก็ตามการพิมพ์ 3 มิติกำลังช่วยเอาชนะข้อจำกัดบางประการเหล่านี้

สำหรับโปรแกรม Summer Bridge ที่กำลังจะมีขึ้นซึ่งเป็นการให้นักเรียนที่สำเร็จการศึกษาระดับมัธยมศึกษาตอนปลายเข้าสู่โปรแกรมวิศวกรรมของมหาวิทยาลัย ชิ้นส่วนที่ถูกพิมพ์การเครื่องพิมพ์ 3 มิติกลายเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าสำหรับการเรียนต่อในสภาพแวดล้อมเสมือนจริง ทีมงานได้ใช้การพิมพ์ 3 มิติอย่างคุ้มค่า และส่งมอบโมเดลการส่งข้อมูลทั้งหมดให้กับนักเรียนเพื่อให้พวกเขาสามารถดำเนินโปรแกรมต่อไปในสภาพแวดล้อมเสมือนจริง

“เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่มีความเที่ยงตรงต่ำ มีราคาที่เอื้อมถึงได้และขนาดของมันก็ยังสามารถนำไปใช้ที่บ้านได้อีกด้วย” Landaeta กล่าว “ไม่มีอะไรมาแทนที่ระบบสัมผัสและการทำงานต้นแบบ การพัฒนาความคิดและวางความคิดนั้นในมุมมองกับวัตถุอื่น”

เพื่อช่วยพิสูจน์ทฤษฎี เครื่องพิมพ์ 3 มิติถูกนำไปไว้ที่บ้านของ Veatch เมื่อการล็อกดาวน์เริ่มต้นขึ้น ซึ่งพื้นที่เครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker แบบเดสก์ท็อปหรือแบบตั้งโต้ะก็มีขนาดเล็กซึ่งง่ายต่อการเคลื่อนย้าย

“การย้ายเครื่องพิมพ์ 3 มิติไปรอบๆทำได้ง่ายและรวดเร็ว” Veatch กล่าว “การเคลื่อนย้ายเครื่องจักรสำหรับการผลิตแบบดั้งเดิมที่ใหญ่ขึ้นนั้นยากกว่า นอกจากการใช้งานที่ซับซ้อนแล้วคุณต้องมีที่ว่างสำหรับเครื่องจักรเหล่านั้นด้วย เครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker นั้นเล็กพอที่จะใช้ในบ้าน”

ข้อมูลการออกแบบ 3 มิติจะถูกส่งไปยัง Veatch ทั่วทั้ง intranet ของมหาวิทยาลัย ชิ้นส่วนต่างๆจะถูกพิมพ์แล้วส่งกลับไปยังนักเรียนเพื่อทำการวิเคราะห์และทดสอบ

“วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยีแบตเตนมีแผนที่จะสนับสนุนการศึกษาด้านวิศวกรรมตามปกติรูปแบบใหม่นี้ ตอนนี้เราจำเป็นต้องสอนนักเรียนถึงวิธีการเป็นวิศวกรที่ประสบความสำเร็จในสภาพแวดล้อมวิศวกรรมเสมือนจริง” ดร. Landaeta กล่าว “เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติอยู่ในระดับแนวหน้าของการดำเนินการเหล่านี้ทำให้นักศึกษาสามารถสร้างต้นแบบจากวิทยาเขตหรือจากที่บ้านได้”

ขณะนี้ EMIC กำลังวางแผนที่จะขยายจำนวนเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีอยู่ โดยหวังว่าจะใช้งานได้ระหว่าง 12 ถึง 20 แห่งในอนาคต พวกเขายังต้องการขยายการดำเนินงานของการพิมพ์ 3 มิติด้วยซอฟต์แวร์ Ultimaker Digital Factory เพื่อช่วยจัดการกลุ่มเครื่องพิมพ์ 3 มิติเมื่อมีจำนวนเพิ่มมากขึ้น

“เรามีรู้สึกคุมค่ามากๆกับ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker นักเรียนสามารถทำงานและสร้างโครงการที่น่าทึ่งได้อย่างง่ายดาย นอกจากานี้เราก็กำลังวางแผนที่จะซื้อเครื่องพิมพ์ Ultimaker เพิ่มเติมในอนาคตอีกด้วย” ดร. Ayala กล่าว 

The Azoth Approach

As customer engagement begins, the team at Azoth takes a methodical approach by working through their inventories and initially identifying machine parts that are overstocked as a result of minimum order quantities or that are often out of stock because of lengthy production lead times of five to 10 weeks—or longer. The team then goes on to identify parts that have a high failure rate or that need some re-engineering for greater efficiency. All of these parts are wasting their customers’ money, wasting time, and causing unnecessary complexity in the supply chain.

The Azoth team is equipped with 3D scanners and software so that parts without CAD data can be reverse-engineered and then re-engineered, if necessary, to improve mean time between failure (MTBF). Material analysis is applied, as well as an understanding of the tolerances in play. And asa part is validated, an analysis of cost—including post-processing, material, build times, and part size—is delivered.

Selecting the right 3D printer and materials is also part of this equation. Azoth uses both metal and plastic additive manufacturing and is particularly reliant on its Ultimaker 3D printers in this process. The Ultimaker systems use fused filament fabrication (FFF) technology and are compact enough to fit on a desktop while delivering generous build sizes: The S3 offers a build size of up to 230 x 190 x 200 mm and the S5 can build up to 330 x 240 x 300 mm—both with dual material extrusion and layer thicknesses as small as 20 microns.

“The materials and the printers from Ultimaker are key in this process,” said Cochran. “The low cost of operation, the high-quality materials, have made our success possible—providing significant cost reductions for our customers.”

The team also looks at metal parts to see if they can be produced more efficiently in plastic while maintaining tolerances and performance.

“The Ultimaker materials are less expensive and often outperform traditional plastics, and even some metals,” said Cochran. “With some gripper finger parts that were originally machined from metal, we took the cost from $350 down to $75 per part by re-engineering them for plastic additive production. And they maintained performance.”

The types of parts that the Azoth team analyzes include jigs and fixtures, gripper fingers, blow-off nozzles, gage handles, and more. They look for parts that will benefit from being produced additively, and with no tooling, tool setup, or minimum order quantities, amazing time and cost savings can be made.

“The average person wouldn’t find these parts sexy in any way,” said Cochran, “but these are the workhorse parts that enable production to continue. We work to eliminate machine downtime on our customers’ shop floors, reduce complexity, reduce cost, and shrink physical inventory. And we have been successful at it!”

Take One, Make One

Once the customer’s digital inventory is in play, Azoth uses a model it calls “Take One, Make One.” This is a direct form of on-demand production where as soon as a replacement part is taken, a new part is made. Azoth operates this through synchronization with parts vending machines and ERP/MRP systems that send an order to Azoth’s competency center. The new part is typically built and shipped within 24 hours.

“The vending machine implementation can generate instant work orders,” said Sheerer. “This means that the customer maintains a limited inventory driven by actual usage and not based on random requirements, such as minimum order requirements. This saves money and increases efficiency for the manufacturer.”

Dynamism, a provider of 3D printing solutions, materials, and consulting expertise located in Chicago, Illinois, was a key collaborator in the company’s TOMO initiative. The Azoth team was introduced to the Ultimaker platforms by Dynamism, and both teams maintain a strategic relationship to push the boundaries of 3D printing.

“The continual support, expertise, and creativity from the Dynamism team allows us to meet the needs of our customers,” said Cochran. “Their help means we can always offer the best solutions, materials, and outcomes.”

The results

Each part produced by Azoth is delivered with a proven business case for the customers. Depending on the part, the business case can be quite different.

“Our approach disrupts the status quo in a positive way for our customers,” said Sheerer. “When we transitioned a simple wear pad part to additive with Ultimaker, it resulted in $30,000 in cost savings for the customer. That is what we call a business case.”

The ability to rapid prototype parts is also a part of the work done by the Azoth team. For some prototype cutter parts, the customer would typically have them CNC machined in steel, which took 12-14 weeks. The Azoth team had plastic prototypes that could be used for a direct, accurate fit and checked within one day. Azoth’s results speak for themselves. They are regularly achieving cost reductions of 50-90%.

“With one gripper finger part, we produce about 30 a month at about half the cost of the traditionally manufactured part,” said Cochran. “We tested the new part with SLS nylon, SLA-based resin, but ended up using the PA 4035 on the Ultimakers. It replaced Delrin, and that’s a tough, workhorse material in our world.”

The Azoth team is also able to produce emergency parts to help reduce machine downtime. One example was of a tool steel injector pin that ran out in inventory. The team had a polymer replacement pin in 48 hours, whereas the 3D metal replacement took a week.

With the tools and expertise, the Azoth team is also able to re-engineer parts for better performance. Complex blow-off nozzles with designs that accurately target the air flow are great examples—and are simple to produce with additive manufacturing.

The Azoth team has proven to itself and its customers that additive has a valuable and important place in the manufacturing supply chain, and both Cochran and Sherrer are keen to continue to lead, innovate, and help customers be more successful.

“Daily, we are changing mindsets within our customers as we deliver valid business cases on their parts inventory using additive manufacturing,” said Cochran. “With Ultimaker 3D printers and materials, the cost is right—they offer easily scalable production and a reliability that we couldn’t have anticipated.”

Once considered a novelty, the Ultimaker product line has become a necessary tool for this team to compete at a high level. With advanced material options available with the Ultimaker S5, Schwartz Off Road Motorsportz (SORM) is saving time on and off the track.

Introduction

Tomorrow is the big race. All week long, the team has been preparing their Side by Side (SxS) vehicle to compete and win. Suddenly, during their preparation on Thursday afternoon the antenna clamp breaks. This is bad news and without a proper replacement, communications are shut off between the pit crew and the race officials —creating a very unsafe environment for the driver. With less than 24 hours until the race weekend, it’s impossible to get a part produced and shipped in time. Adversity calls for a creative solution.

This scenario is common for those who participate in all sorts of off road sports. Typically, the racing teams are small and fueled by passion, so they tend to be cost conscious and resourceful when it comes to problem solving. Schwartz Off Road Motorsportz (Oshkosh, WI) is one of the many family-owned teams competing in the Championship Off Road Series, but their approach to engineering solutions is anything but common.

Erik Schwartz, Owner and Driver, has worked with 3D printing since high school. and knows what type of value it can provide for quick-turn answers to complex problems. Combining his passion for motorsports with his affection for 3D printing enabled his team to do more with less. “Some people want to tinker with 3D printing,” said Schwartz. “Not me. Quality matters and when I hit print, I want it to be done right.” A few years back, Schwartz and his team ran into several design and performance issues for the SxS vehicle and wasted no time integrating the Ultimaker 2. Since then, it has clocked up more than 4,000 hours of printing, and the team has upgraded to the Ultimaker S5.

Challenge

Operating on passion and a limited budget is a real challenge for those who wish to compete at a high level. For SORM and many other racing teams, it’s imperative to build, test and optimize the vehicle without draining the bank account. Traditionally, races are held bi- weekly throughout a given season and adjustments are constantly made. Whether it’s fixing broken parts, replacing others or making design improvements to enhance performance, this requires time and money. “When a part issue arises, we typically outsource to a machine shop,” said Schwartz. “It gets expensive and can take up to three weeks for delivery.”

Like most racing teams, the SORM team has limited fabrication methods inhouse and must rely on third party businesses to produce parts from sheet metal. Parts that need consistent replacement on the vehicle due to wear and tear are brackets, fixtures, clamps, and a variety of mounts. While some parts can last an entire season, others need replacement every other weekend. “These parts range from $500 – $750 per,” said Schwartz. “It’s difficult to absorb that type of cost, especially when we require backups or we make a design mistake. Let’s face it, we don’t always get it right the first time.”

In addition to the problem of replacing worn out parts, Schwartz and his team are constantly tweaking and finding new ways to keep their vehicle competitive. Ideation is one of their key advantages, so the team needed to find a low-cost way to test ideas and validate the functionality of certain parts. Whether it’s the development of lighter weight components or redesigning air passageways, every new design can be the difference between winning or losing. “Fans may only see the 20 minutes on the track but behind the scenes, our team puts a lot of time and effort during the week to make this work. We need it done right,” said Schwartz.

“It can be the difference between finishing tenth or first”

Solution

Schwartz is a veteran Ultimaker user. For years, the team owned and operated the Ultimaker 2, single extrusion 3D printer. Using it predominantly as a prototyping tool, the team printed in PLA to test form, fit and function for a variety of ideas. After 4,000+ hours of printing, the equipment continues to run like new and has been a source of curiosity for fans and fellow competitors. “We invite fans into our pit at the race track and it’s always the topic of conversation,” said Schwartz. “Like our trailer or tool box, we treat the 3D printer as an important part of the business.” Used mainly for prototyping, Schwartz and his team knew that an upgrade was necessary to take them into production. Enter the dual-extrusion, Ultimaker S5 3D printer.

At the beginning of last season, a costly crash damaged the vehicle in several ways which forced the team to replace the radiator. Due to supply chain problems, the manufacturer quoted a six-month lead time. This was unacceptable, and would cause the team to miss the season entirely. Instead, Schwartz ordered an off-the-shelf radiator and designed several brackets to custom fit it into the vehicle. The Ultimaker S5 was the perfect tool to print and reprint parts out of polycarbonate that would connect to metal brackets that hold the radiator in place. “We were in a super time pinch,” said Schwartz. “The 3D printer saved our season and in some ways, improved it.” With a wide array of advanced materials at their fingertips, the team began using the equipment in ways they never thought possible.

Let’s look at some other applications and benefits, followed by a cost comparison for a typical bracket part.

Performance panels: Accidents happen in motorsports. The back quarter panel is a prime location for damage and if impacted hard enough, can damage the chassis. Instead of purchasing new quarter panels, SORM designed a quarter panel clamp 3D printed with nylon and a TPU insert that could absorb the damage more effectively. Not only does this save them hundreds in replacement cost, the nylon material is more likely to crush then ruin the chassis—which would cost a lot more than just a quarter panel itself.

Complex capabilities: Dual extrusion technology enables SORM to maximize the value of PVA (water soluble) material especially for complex geometries or internal channels. SORM developed an enhanced front grille designed to increase airflow to the vehicle, thus providing a natural cooling mechanism. Machining a custom passageway such as this is nearly impossible, but completely doable with dual material 3D printing combining the strength and functionality of polycarbonate with soluble PVA.

Organization: A working shop can be chaotic and sometimes the smallest details can save time, money and headaches. Printing custom jigs, fixtures and color coded trays have become standard in the SORM shop. Multicolor printing capabilities leads to a better-organized workshop. This is common practice for many larger industrial companies who use this technology to identify safety fixtures and create ergonomically sound devices for workers.

Results and the future

“Materials and data,” Schwartz said confidently. The progress being made in polymer development has become a major benefit to the industry. Stronger rubbers, custom plastics made with chemical resistant properties and improved heat deflection thermoplastics will help move the industry forward. In addition, the data collected will improve part analysis and performance for future product development. The next generation of industrialization is highly connected, and the compilation of data will impact the way companies produce prototypes, spare parts and products.

Ultimaker is the epitome of innovation and continues to lead by example. Its material portfolio boasts over 40 advanced filaments available directly with Ultimaker or accessible through a preferred network of providers. In addition, the CURA software is rated as one of the most user-friendly and intuitive programs available to the community of 3D printing engineers and enthusiasts. Through data aggregation, this software is equipping the industry with the tools to react quicker and perform at a higher level. Similar to Schwartz Off Road Motorsportz, Ultimaker is committed to tweaking, improving, and performing at the highest level possible.

The job of developing such a revolutionary piece of hardware fell to NavVis industrial designers Sarah Godoj and Nils Christensen. To achieve this formidable task, they leveraged the power of rapid prototyping to test and perfect the design.

The result? The ideal balance of device accuracy, accessibility, and ergonomics – validated using Ultimaker 3D printers.

“It’s a marvelous feat of engineering from our team,” said Nils. “You can go hiking with NavVis VLX if you want.”

Sensors first

Headquartered in Munich, Germany, NavVis specializes in developing next-generation technology that enables accurate mapping of indoor spaces. And given that the wearable NavVis VLX system‘s accuracy had to compete with terrestrial solutions, the scanner’s sensor positioning would be the designers’ top priority.

After many iterations, the team zeroed in on an innovative design that combines two multi-layer LiDAR sensors with four high-res cameras. Together, they measure and map a 360-degree view of the indoor space – mounted at the perfect distance above the operator’s head to keep the operator out of the field of view while allowing the user to see everything in the environment.

But soon after deciding the basic concept, the designers realized that they also wanted to set NavVis VLX apart from other wearable scanners and require nothing to be worn on the users’ back. This was to avoid bumping into anything when the user turned in tight spaces.

Sarah explained, “We used alternatives, like wood and cardboard, but closer to the final design, we didn’t consider anything else, because there was no better alternative than 3D printing.”

Everything in easy reach

This led to a uniquely complicated challenge to keep every user interaction accessible. The touchscreen in particular required a lot of iteration. It had to be in the field of view, but still allow the user to see the floor to find ground control points and avoid hazards.

With so many variables to find the best display angle and positioning, the team once again turned to 3D printing to validate their ideas in more accurate detail.

Joining PVC pipes with 3D printed angles allowed them to test configurations as quickly as possible. The PVC pipes could be easily cut to any length, leaving just the connecting angles to be 3D printed.

“We wanted to have precise angles to really prove the CAD,” said Nils. “This meant it was the perfect mixture of rapid prototyping and real precision.”

With this technique, the team also became well-acquainted with the dimensional accuracy of their in-house Ultimaker 3D printers. Although all 3D prints shrink a small amount as the material cools, they worked out the shrinkage by printing multiple connectors with 0.1 mm difference between each version.

Designed to fit any body

“Creating a device that fits the human body brings a lot of challenges.” explained Sarah. “But with 3D printing, we could make lots of iterations to get to a good combination of the right size and weight.”

The team’s goal was to create an ergonomic experience that would feel like the user was wearing a backpack on their chest. They loaded filled water bottles onto rough wooden and 3D printed shapes to simulate that weight. If any test user found it uncomfortable, Sarah and Nils knew that they needed to make an adjustment.

This was especially necessary for the shoulder pads. To find the optimal design, the team adjusted settings in Ultimaker Cura to create fast “draft” prints, before progressing to detailed prints. This approach ensured the pads would be comfortable for anyone – without the chance of NavVis VLX sliding off.

Another ergonomic challenge was the device’s secure storage in a transport case that a single user could carry and quickly set up on site. For this, a folding mechanism would be required. But where should NavVis VLX safely fold to result in the smallest volume?

Again, the industrial designers used 3D printing to verify the CAD model. They left holes in the arms and temporarily secured them with a long screw inserted into the 3D print.

Rapid prototyping during a pandemic

To create these fast iterations, the team relied on the workhorse output of the Ultimaker 2+ and Ultimaker S5.

Thanks to the printers’ reliability, Sarah and Nils developed a 24-hour iteration cadence that allowed them to test new ideas as quickly as possible:

You could just hit “print” on Friday and go home for the weekend and come back on Monday and it was finished.

Of course, when COVID-19 forced most of the designers to work from home, their workflow had to change. For this, they depended on the remote 3D printing capability of the Ultimaker S5 and Ultimaker Digital Factory.

They were able to securely monitor their print jobs and simply ask someone at the office, “could you please remove the print and press ‘confirm’?” To avoid needing to add new filament halfway through a print, they also set up a second webcam to monitor the spools. This way they could keep iterating regardless of pandemic restrictions.

Nils said, “We always thought that 3D printers are a bit complicated, but the Ultimaker was a nice easy-to-use solution. It always explains the next step or what is happening right now.” 

This ease of use meant that – even though their team consists of 15 designers and mechanical engineers – everyone is slicing parts to 3D print, and “no one is really afraid of touching the Ultimakers”. 

Continuous improvement 

Because NavVis builds its scanners to order, the design team continues to iterate and improve their products using 3D printing. Nils revealed:

Every development step that we have mechanically, in 80% of the cases we 3D print first. Doing that instead of creating parts out of metal blocks with a lead time of up to five weeks. You can imagine it’s quite a cost-saving.

Nils and Sarah continue to refine their 3D printing process. And thanks to Ultimaker’s open filament system, they contribute to NavVis’ sustainable goals by printing increasingly with recyclable materials. 

In that way, they are helping NavVis build a better world – as well as better indoor scanners.