3D-printen of klassiek produceren?

Tijdens de 3D Printing Materials Conference was er een hele sessie aan gewijd, geleid door Giorgio Magistrelli, additive manufacturing projectleider bij Cecimo. De Europese koepelorganisatie van machinebouwers voor de metaalbewerking heeft van additive manufacturing een thema gemaakt dat dit jaar veel aandacht gaat krijgen. De technologie gaat namelijk een volgende ontwikkelingsfase in, denken de machinebouwers. ‘Gestart vanuit de monomateriaal technologie zijn we naar multimateriaal technologie gegaan. De komende tien jaar verwachten wij de integratie van sensortechnologie in de additive manufacturing machines. Dat is voor ons als machinebouwer interessant’, aldus Magistrelli op de conferentie in Maastricht. Interessant omdat je volgens Cecimo nu hybrideprocessen gaat zien en er hybridemachines op de markt komen, zoals de Lasertec 65 AM van DMI Mori Seiki. ‘Additive manufacturing en traditioneel produceren komen samen.’

Oplossing voor klassieke machinebouwers

De kans is zelfs groot dat na DMG Mori Seiki en Mazak, dat een hybridemachine heeft getoond op de Jimptof, andere machinebouwers uit de klassieke verspanende- of plaatbewerking met dit soort type machines op de markt gaan komen. Met dat idee heeft in ieder geval het Fraunhofer ILT een nieuwe diodelasermodule ontwikkeld waarmee additive manufacturing machines eenvoudig opgeschaald kunnen worden. In het multispotconcept dat op EuroMold voor het eerst is getoond, zitten vijf diodenlasers die elk individueel aangestuurd kunnen worden in één unit bij elkaar. ‘We kunnen de machine gemakkelijk opschalen naar een groter formaat. Met dit concept mikken we vooral op de traditionele fabrikanten van gereedschapsmachines. Zij hebben de technologie en de kennis van de besturing van snelle lineaire assen die nodig zijn om productiesystemen te bouwen’, zo legde Wilhelm Meiners van Fraunhofer ILT het idee achter dit concept uit. Het onderzoeksinstituut reikt de machinebouwers een oplossing aan waarmee ze relatief eenvoudig en snel in de nieuwe markt kunnen instappen.

Grote structuren 3D-metaalprinten

Je hebt echter lang niet altijd lasertechnologie nodig voor het metaalprinten, zo liet Filomeno Martina, onderzoeker aan de Cranfield University in het UK zien. Het Welding Engineering and Laser Processing Centre van de Britse universiteit heeft een additive manufacturing concept voor metaal ontwikkeld dat gebruik maakt van lastechnologie. Daarmee slagen de Britten erin om grote structuurdelen tegen lage kosten in korte tijd op te bouwen. Ze gebruiken hiervoor het Fronius CMT Pulsed Advanced koudlasproces. Hiermee wordt metaaldraad neergesmolten in de vorm van het uiteindelijke product. Daarna wordt elke laag aangedrukt met een roller die over het pas neer gesmolten materiaal wordt gerold. Door deze druk, zo legt Filomeno Martina uit, wordt de oppervlaktespanning uit de laag gedrukt en zijn de mechanische eigenschappen uiteindelijk zelfs beter dan die van het uitgangsmateriaal. Op deze manier hebben de Britse onderzoekers onder meer al teststukken voor vliegtuigbouwer BAE geproduceerd uit titanium. ‘Omdat we een near net shape model maken, hebben we een veel betere buy to fly ratio dan momenteel voor deze delen gebruikelijk is.’ Bij een vleugeldeel hoeft slechts 13 procent van het materiaal verspaand te worden om tot het uiteindelijke deel te komen. Bij de huidige productiemethode, waarbij een smeeddeel wordt verspaand, wordt liefst 91 procent van het materiaal weggefreesd. Daarnaast zijn de kosten van deze zogenaamde WAAM-technologie (Wide Area Additive Manufacturing) beperkt. Het opbouwen van titanium kost bijvoorbeeld slechts 200 pond per kilogram, inclusief materiaal en machine. Volstaat staal voor de toepassing, dan daalt de kostprijs zelfs naar 11 pond per kilo. Dit komt doordat men van bestaande technologie gebruik maakt, die eenvoudig in een robotlijn geïntegreerd kan worden en men geen dure lasertechnologie gebruikt. ‘Deze lage kosten zijn de grote driver achter deze technologie’, zegt Martina. De grote beperking is wel dat WAAM zich eigenlijk alleen leent voor grote maar vrij eenvoudige structuurdelen. Voor complexe structuren en fijnmechanische delen is de technologie niet geschikt.

Kunststof matrijzen?

Het is echter nog maar de vraag of je voor de fijnmechanische componenten, bijvoorbeeld stempels en matrijzen, altijd metaal nodig hebt. Johannes Triebs, werkzaam bij Production Engineering of e-Molibility Components van de RWTH Aachen, presenteerde enkele interessante ontwikkelingen bij StreetScooter. Deze spin of van de Duitse universiteit bouwt een elektrische stadswagen voor onder andere Deutsche Post. Het bedrijf telt ondertussen 70 medewerkers. Voor de productie van een gereedschap voor thermoplastische plaatdelen van deze elektrische auto heeft het team van Triebs de matrijsvormen niet gefreesd maar 3D-geprint. Op een Objet printer. De matrijzen waren ongeveer 400 bij 300 mm groot.

Triebs: ‘Nadat we dertien thermovormdelen hadden geproduceerd, zagen we dat op een plek de holle matrijs zwak werd. Het alternatief dat we volledig vol hebben geprint, bleef het goed doen.’ Men wil echter het liefst holle matrijzen printen, omdat dit de materiaalkosten aanzienlijk reduceert en het opbouwproces versnelt. De Streetscooter engineers gaan nu de matrijs redesignen om de levensduur te verlengen. Ook denkt men aan de inzet van aluminium kernen in de 3D-geprinte kunststof matrijs om zowel de levensduur te verlengen als het thermovormproces te versnellen en te verbeteren door de betere koelmogelijkheden. Voor een rijdend prototypemodel van de Streetscooter heeft men ook zowel een C-profiel als een koplampunit direct 3D-geprint. Deze onderdelen zijn in het rijdend testmodel gebruikt, maar voor deze toepassing is de technologie nog niet echt voldoende ontwikkeld, aldus Johannes Triebs.