naar top
Menu
Logo Print
12/06/2018 - MELS DEES

3DP GEEN REVOLUTIE MAAR EVOLUTIE

Waar staat 3d-metaalprinten en waar gaat het naartoe?

Ondanks alle beloftes laat de doorbraak van 3D metal printing - ofte 3DP - enigszins op zich wachten. Is deze additive manufacturing blijvend te duur, te langzaam, te gecompliceerd … of komt de grote omwenteling alsnog?

MetaalprinterPRO

De voordelen van Additive Manufacturing liggen er duimendik bovenop - zo lijkt het althans. Om er een aantal te noemen: besparingen op grondstoffen (er wordt geen materiaal weggehaald, alleen toegevoegd), besparingen op voorraden en transport, op mallen en productiekosten. Met 3DP is het mogelijk om extreem complexe geometrieën te creëren, vormen die met spuitgiet- en andere technieken onmogelijk kunnen worden geproduceerd. Weg met het energieverspillende transport van machines, onderdelen en producten, een STL-file is genoeg! Voor de adepten staat 3D-printing op het punt een revolutie in onze productiecultuur te ontketenen - en dat doet het al heel lang ...

CONTRA

Dat de revolutie voor 3D-printing maar niet komen wil, heeft te maken met een aantal remmende factoren:

Traditie

Letterlijk eeuwenlang is onze industrie al gericht op de fabricage van grote series identieke producten, waardoor de prijs per eenheid kon worden gedrukt.

Ontwerp

Het design van machines en onderdelen is al die tijd door conventionele productiemethoden bepaald. Dat is niet ideaal voor 3D-printing: om aan de eisen te voldoen, moeten onderdelen vaak opnieuw worden ontworpen om sterk en stabiel te zijn.

Certificatie

Het ontbreekt daarom meestal aan de vereiste garantie dat het onderdeel aan de eisen voldoet.

Kostprijs

De kostprijs is per 3D-print aanmerkelijk hoger dan de stukprijs voor in massa geproduceerde onderdelen. Zelfs als er maar een of enkele exemplaren nodig zijn, is dat een psychologische barrière.

Energieverbruik

De hoge stukprijs hangt met name bij metal printing samen met de forse energiekosten van de toegepaste lasers.

Tijd

Veel AM-procedés zijn uiterst tijdrovend.

Warping

Bij veel additieve processen wordt het materiaal plaatselijk tot het smeltpunt verhit, wat tot interne spanningen en vervormingen leidt.

Overkragingen

Uitstekende delen van een ontwerp moeten bij veel procedés door een later te verwijderen hulpconstructie worden ondersteund.

Afwerking

Vooral bij de sinterproductie van metalen is een nabewerking (door bijvoorbeeld CNC-frezen) vaak onvermijdelijk.

SolidCAM
De tests zijn veelbelovend: binnenkort kan de FDM printer van dddrop ook metalen producten printen.

EEN WOLK VAN INNOVATIES

Geen revolutie, dus. Dat is ook het gevolg van het feit dat we het hier niet over één nieuwe productiemethode hebben, maar over tientallen - soms maar nauwelijks verwante - technieken, elk met eigen voor- en nadelen en toepassingen. Een indeling van metalprintingtechnieken:

Dmls

Direct metal laser sintering (DMLS), waaronder meestal ook selective laser sintering (SLS) en selective laser melting (SLM) worden verstaan, is momenteel het populairste principe. Daarbij zorgt een energiebron , zoals een laser of een elektronenstraal, ervoor dat een egale poederlaag van minuscule metaalbolletjes lokaal wordt samengesmolten tot telkens weer een nieuwe laag van het object.

Ded & lmd

Directed Energy Deposition en LMD (Laser Metal Deposition) zijn methoden die dichter bij het 'gewone' 3D-printen met een kunststof filament staan. Hierbij wordt laserenergie gebruikt om poeder te smelten dat door een robotarm op de juiste plaats wordt gebracht.

Specials

Daarnaast zijn er nog verschillende procedés die voor speciale doeleinden worden toegepast. EBM (Electron Beam Melting) maakt gebruik van een uiterst snelle en accurate, hoogenergetische elektronenstraal, maar moet onder zeer hoge temperaturen in vacuüm worden uitgevoerd. De techniek wordt vooral in militaire en aerospaceprojecten toegepast, evenals verwante technieken als EBAM (Electron Beam Added Manufacturing) en LENS (Laser Engineering Net Shape).

MATERIALEN

Schema nieuwe methoden
Om verschillende materialen in poedervorm op de juiste plaats te krijgen, zijn er nieuwe methoden nodig

Vrijwel ieder metaal kan op het moment worden geprint: aluminium, staal, messing, koper, brons, zilver, goud, platina ... Zelfs extreem 'moeilijke' materialen als titaan, roestvast staal en Inconel® behoren tot de mogelijkheden. Voor de edelmetalen gold in het verleden dat het model meestal in was of een andere smeltbare stof werd geprint, waarna het vervolgens volgens de cire-perduemethode in metaal werd gegoten. Maar op het moment gaan meer en meer bedrijven over tot het direct printen van edelmetalen.

Mengen met kunststof

Een steeds populairder methode om metalloid (metaalachtige) materialen te printen is het metaal vermengen met kunststof. Op die manier is 'desktop metal printing' met poeder of een filament mogelijk - zij het dat het product meestal nog op een zeer hoge temperatuur moet worden nabehandeld en, wat mechanische eigenschappen betreft, het massieve materiaal alleen benadert.

WAAR STAAN WE NU?

Hoewel het McKinsey Global Institute verwacht dat de impact van deze nieuwe technologieën op de industrie tot 2025 ver zal achterblijven bij die van bv. het Internet of Things en geavanceerde robotica, groeit de markt geleidelijk. Ook wordt het bereik groter. Aanvankelijk werd 3D-printing vooral voor prototypes en demomodellen (al dan niet op schaal) gebruikt; later werden dat medische implantaten en aerospaceonderdelen.

De echte wereld

Inmiddels maken ook autofabrikanten als Mercedes gebruik van 3D-printing om kleine series van onderdelen te fabriceren en in de VS is al meer dan één derde van de 3D-prints in metaal bedoeld voor een directe toepassing in de praktijk. Ook het formaat - een van de belangrijkste beperkingen van 3D-printers - wordt steeds groter. De grootste gesloten metaalprinter op dit moment heeft een maximale construction envelope van 800 x 400 x 500 mm. En het Nederlandse MX3D heeft dit jaar een stalen 3D-geprinte brug van ca. 12 m lang gerealiseerd.

EN DE TOEKOMST?

Op de 3D Printing Materials Conference in de Brightlands Chemelot Campus (eind april 2018) bij het Nederlandse Geleen trok multi-material printing veel aandacht. Vorig jaar introduceerde HP er de Fusion Jet Technology waarmee samengestelde kunststoffen met uiteenlopende grondstoffen (metalen, lijm, harsen, glas etc.) en sterk verschillende eigenschappen (sterkte, lichtdoorlatendheid, elasticiteit etc.) worden geprint, waarbij de eigenschappen - ongelooflijk - zelfs per voxel ('kubieke pixel') kunnen worden gevarieerd. De techniek biedt (op lange termijn) grote perspectieven, zoals in één procesgang geprinte apparaten en elektronica.

Gemengde metalenKevin Eckes

Dit jaar trok o.m. het Luikse Aerosint de aandacht. Zij ontwikkelden een poederprint-procedé waarmee het mogelijk is om verschillende metalen, zoals ijzer en koper, in één product te combineren. De eerste vraag die daarbij opkomt, is natuurlijk: hoe worden de verschillende mechanische en thermische spanningen tussen de materialen opgelost? Kevin Eckes, onderzoeker bij Aerosint, legt uit: “Doordat wij een vloeiende overgang van het ene naar het andere materiaal kunnen maken, worden de spanningen over een groot volume verdeeld. Precies zoveel als nodig is voor bepaalde temperatuur- en belastingverschillen. De verlopen (gradations) kunnen ook in drie dimensies worden gerealiseerd om een optimaal resultaat te bereiken."

IN DE PRAKTIJK

Toepassingen zijn niet moeilijk te vinden. Zo wordt het tempo waarmee spuitgietwerk wordt geproduceerd, in veel gevallen beperkt door de snelheid waarmee de spuitmond en matrijs kunnen afkoelen. Door hem deels uit staal en deels uit warmtegeleidend koper te printen, krijg je een slijtvaste kop die de warmte merkelijk sneller afvoert. Andere toepassingen zijn combinaties van hittebestendige keramiek (ZrO2, bijvoorbeeld) en nikkelstaallegeringen zoals die in hitteschilden voor ruimtevaartuigen worden gebruikt. 

3D HUBS
3D Hubs is een netwerk van meer dan 7.000 samenwerkende 3D-printservices in ruim 140 landen. Via een eenvoudig onlinesysteem kunnen klanten er de snelste en goedkoopste producenten in de buurt vinden. Ontwerp en specificaties kunnen worden geüpload en het (gegarandeerde) resultaat kan binnen gemiddeld twee dagen worden afgehaald of verstuurd (ook CNC en spuitgietwerk). Bovendien heeft 3D Hubs een uiterst praktisch en up-to-date handboek uitgegeven: The 3D Printing Handbook.