De volgende fase van metaalprinten (longread)

K3D ziet toekomst in reparatie en digitale reserveonderdelen

Miguel Peñaranda van K3D liet zien dat de grootste kansen voor additive manufacturing momenteel liggen in reparatie, revisie en reserveonderdelen. K3D beschikt naast poederbedprinters ook over systemen voor Wire Laser Metal Deposition (WLMD). Daarbij wordt geen metaalpoeder gebruikt, maar lasdraad die met behulp van meerdere lasers laag voor laag op een bestaand onderdeel wordt aangebracht. Hierdoor kunnen versleten of beschadigde componenten worden hersteld of lokaal worden voorzien van een nieuwe slijtlaag.

Praktijkvoorbeelden

Peñaranda illustreerde dit met verschillende praktijkvoorbeelden. Zo werd een versleten gietijzeren lintzaagwiel gerepareerd door een nieuwe roestvaststalen slijtlaag aan te brengen, terwijl kunststof geleiders in dezelfde machine werden vervangen door geprinte RVS-varianten met een langere levensduur. Ook onderdelen die niet langer leverbaar zijn, kunnen volgens hem worden gescand, opnieuw ontworpen en vervolgens worden geproduceerd wanneer ze nodig zijn. Daarmee verschuift additive manufacturing volgens K3D van een technologie voor prototyping naar een instrument voor onderhoud en levensduurverlenging.

Reserveonderdelen hoeven niet langer fysiek op voorraad te liggen, maar kunnen als digitaal model worden opgeslagen en pas worden geproduceerd zodra daar behoefte aan is. Dat verkort levertijden en maakt bedrijven minder afhankelijk van internationale toeleveranciers. K3D demonstreerde dit onder meer met een inlaatspruitstuk voor een tractorpullingmotor. Het bestaande onderdeel werd eerst 3D -gescand, vervolgens geoptimaliseerd voor een betere luchtstroming en daarna opnieuw geproduceerd met additive manufacturing. Volgens Peñaranda laat dit zien dat 3D-metaalprinten niet alleen geschikt is om bestaande onderdelen te reproduceren, maar ook om hun prestaties verder te verbeteren.

MX3D zet in op industriële productie

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ontwikkelt zich in hoog tempo van een demonstratietechnologie tot een volwaardig productieproces voor grote metalen onderdelen. René Backx van MX3D liet zien dat de techniek inmiddels wordt ingezet voor reserveonderdelen, reparaties, reverse engineering en serieproductie. Bij WAAM bouwen lasrobots een onderdeel laag voor laag op met lasdraad. De techniek is vooral geschikt voor grotere componenten, variërend van tientallen kilo’s tot enkele tonnen. Volgens Backx ligt de kracht niet alleen in de ontwerpvrijheid, maar ook in de korte levertijden. Zo produceerde MX3D een 350 kilogram zware waaier voor een gasturbine in enkele weken, terwijl een conventioneel gietproces een levertijd van twaalf tot achttien maanden had.

Reparatie

Ook reparatie vormt een belangrijk toepassingsgebied. Een beschadigde diverter valve uit de olie- en gassector werd binnen 24 uur opnieuw opgebouwd, verspaand en weer inzetbaar gemaakt. Daarmee kan kostbare stilstand aanzienlijk worden verkort. MX3D richt zich daarnaast nadrukkelijk op toepassingen waarbij kwaliteit en certificering een belangrijke rol spelen. Zo werkt het bedrijf samen met Framatome aan onderdelen voor de nucleaire industrie en ontwikkelde het voor BMW een geoptimaliseerd ophangingscomponent dat niet alleen lichter en stijver is dan het oorspronkelijke gietdeel, maar ook geschikt is voor serieproductie. Volgens Backx verschuift de aandacht daarbij steeds meer van de printer naar de beheersing van het productieproces. Tijdens het printen worden duizenden procesgegevens vastgelegd, die worden gebruikt voor kwaliteitscontrole, traceerbaarheid en certificering. Juist die combinatie van robottechnologie, software en procesmonitoring moet additive manufacturing geschikt maken voor industriële productie op grotere schaal.

Coldspray bouwt metaal op zonder te smelten

Coldspray biedt een alternatief voor bestaande metaalprinttechnieken doordat het materiaal tijdens het proces niet wordt gesmolten. Volgens Ferdy Touwen van Titomic blijven daardoor de oorspronkelijke materiaaleigenschappen veel beter behouden en ontstaan nieuwe mogelijkheden voor reparatie en additive manufacturing. Bij coldspray worden metaaldeeltjes met een snelheid van honderden meters per seconde op een oppervlak geschoten. Door de enorme impact vervormen de deeltjes plastisch en hechten ze zich aan elkaar, zonder dat een smeltbad ontstaat. Dat maakt de techniek geschikt voor materialen die met conventionele smeltprocessen lastig te verwerken zijn.

Toepassingen

Titomic zet coldspray in voor uiteenlopende toepassingen. Een belangrijke markt is de reparatie van kostbare componenten in onder meer de maritieme sector, olie- en gasindustrie en defensie. Versleten lagerzittingen, corrosieschade of beschadigde onderdelen kunnen plaatselijk worden opgebouwd, waarna alleen nog een beperkte nabewerking nodig is. Ook in Oekraïne worden mobiele coldspraysystemen ingezet om beschadigde militaire voertuigen en onderdelen snel weer inzetbaar te maken. De techniek is daarnaast geschikt voor de productie van nieuwe onderdelen. Door materiaal alleen aan te brengen waar het nodig is, kunnen complexe titaniumcomponenten vrijwel in hun eindvorm worden opgebouwd. Dat beperkt het materiaalverlies aanzienlijk, wat vooral bij kostbare materialen zoals titanium een belangrijk voordeel is.Een ander onderscheidend kenmerk is de mogelijkheid om verschillende metalen met elkaar te combineren. Omdat er geen smeltbad ontstaat, kunnen materiaalcombinaties worden gerealiseerd die met conventionele metaalprinttechnieken moeilijk of zelfs onmogelijk zijn. Dat biedt nieuwe mogelijkheden voor toepassingen waarin bijvoorbeeld slijtvastheid, warmtegeleiding of corrosiebestendigheid lokaal kunnen worden geoptimaliseerd. Volgens Touwen ontwikkelt coldspray zich daarmee tot een veelzijdige productietechnologie die niet alleen interessant is voor reparaties, maar ook voor de productie van hoogwaardige onderdelen in onder meer de luchtvaart-, defensie- en energiesector.

Beheersing van het printproces

UT ontwikkelt nieuwe generatie metaalprintprocessenHoogsterkte aluminiumlegeringen behoren tot de meest interessante materialen voor onder meer de luchtvaart, maar zijn met veel bestaande metaalprinttechnieken lastig te verwerken. Ton Bor, universitair hoofddocent aan de Universiteit Twente, liet zien hoe zijn onderzoeksgroep werkt aan een alternatief waarbij het metaal tijdens het printen niet wordt gesmolten. Veel huidige additive manufacturing-processen zijn gebaseerd op een smeltbad. Bij hoogsterkte aluminium kan dat leiden tot scheurvorming, porositeit en verlies van legeringselementen, waardoor de gewenste materiaaleigenschappen niet worden bereikt. De onderzoekers ontwikkelen daarom een zogenoemd solid-state proces, waarbij het materiaal door wrijving en vervorming plastisch wordt gemaakt en laag voor laag wordt opgebouwd.

FSEAM

De techniek, Friction Screw Extrusion Additive Manufacturing (FSEAM), bevindt zich nog in de onderzoeksfase. Het uiteindelijke doel is om grote aluminium onderdelen met hoge productiesnelheden te kunnen vervaardigen, zonder de metallurgische nadelen van smeltprocessen. De Universiteit Twente werkt daarbij onder meer aan toepassingen voor de luchtvaart, waar grote lichtgewicht constructies van hoogsterkte aluminium gewenst zijn. De FSEAM-aanpak is specifiek ontwikkeld voor aluminium- en magnesiumlegeringen die met veel fusion-based processen moeilijk te verwerken zijn.  Bor liet daarnaast zien dat het proces mogelijkheden biedt om niet alleen draad of stafmateriaal, maar ook samengeperste aluminiumspanen als uitgangsmateriaal te gebruiken. Daarmee kan additive manufacturing in de toekomst ook een rol spelen bij het hoogwaardig hergebruik van metaalafval. Hoewel de technologie nog niet klaar is voor industriële toepassing, gaf de presentatie een inkijk in de volgende generatie metaalprintprocessen. Waar veel bedrijven zich momenteel richten op de industrialisatie van bestaande technieken, zoeken onderzoekers tegelijkertijd naar oplossingen voor materialen die zich vandaag nog moeilijk laten printen.

CastLab kiest de beste productietechniek

Additive manufacturing is niet altijd de beste oplossing. Volgens Koen Melis van CastLab draait het uiteindelijk om de vraag welke productietechniek het beste past bij een onderdeel. Dat kan 3D-metaalprinten zijn, maar net zo goed gieten of verspanen. CastLab is voortgekomen uit Melis Metaalgieterij en combineert additive manufacturing met traditionele productietechnieken. Een belangrijk voorbeeld is het printen van zandmallen voor gietstukken. Door de mal te printen in plaats van een conventioneel model te maken, kunnen kleine series en reserveonderdelen veel sneller en goedkoper worden geproduceerd. Dat is vooral interessant voor onderdelen waarvan slechts enkele exemplaren nodig zijn, zoals reserveonderdelen voor treinen of industriële installaties. Volgens Melis denken veel bedrijven nog vanuit één productietechniek. Een gieter kijkt naar gieten, een verspaner naar frezen en een specialist in additive manufacturing naar printen. De vraag van de klant is echter veel eenvoudiger: wat is de beste manier om dit onderdeel te produceren? Vanuit die gedachte ontwikkelt CastLab samen met MetalLab een digitale beslisomgeving die bedrijven ondersteunt bij die keuze. Tekeningen worden centraal opgeslagen en met behulp van kunstmatige intelligentie geanalyseerd op onder meer geometrie, materiaal en productspecificaties. Op basis daarvan kan worden bepaald welke productietechniek technisch en economisch het meest geschikt is. Daarbij worden niet alleen de productiekosten meegenomen, maar ook factoren als duurzaamheid, levertijd en beschikbaarheid.

Gereedschapskist

Volgens Melis verschuift de rol van additive manufacturing daarmee. Niet iedere component hoeft te worden geprint, maar de technologie krijgt wel een vaste plaats binnen een bredere gereedschapskist van productiemethoden. Juist het slim combineren van verschillende technieken biedt bedrijven volgens hem de meeste kansen.

MIM combineert ontwerpvrijheid met serieproductie

Metal Injection Moulding (MIM) is een productietechniek die volgens Erik Dietrich van Saxion nog veel te weinig bekend is, terwijl zij juist voor veel toepassingen een interessant alternatief kan zijn voor verspanen, gieten of additive manufacturing. Bij MIM wordt fijn metaalpoeder gemengd met een kunststofbindmiddel en vervolgens, net als bij kunststofspuitgieten, in een matrijs geïnjecteerd. Daarna wordt het bindmiddel verwijderd en wordt het onderdeel gesinterd, waardoor een volledig metalen product ontstaat. De techniek maakt het mogelijk om complexe onderdelen met een hoge maatnauwkeurigheid in grote series te produceren. Volgens Dietrich combineert MIM de ontwerpvrijheid van spuitgieten met de materiaaleigenschappen van metaal. Vooral voor kleine en middelgrote componenten met complexe geometrieën kan dat aanzienlijke voordelen opleveren. Omdat veel vormen direct uit de matrijs komen, is vaak weinig of geen nabewerking nodig.

Voorbeelden

Tijdens zijn presentatie liet Dietrich verschillende voorbeelden zien van MIM-componenten die inmiddels op grote schaal worden toegepast, onder meer in de automotive, medische technologie en consumentenelektronica. Bosch produceerde inmiddels zelfs het miljardste MIM-onderdeel in zijn fabriek in het Duitse Immenstadt. Dietrich benadrukte dat de keuze voor een productietechniek al vroeg in het ontwerpproces moet worden gemaakt. Additive manufacturing is volgens hem een uitstekend hulpmiddel voor snelle productontwikkeling en prototyping, maar voor serieproductie kan een techniek als MIM in veel gevallen economisch aantrekkelijker zijn. Een succesvol product begint daarom niet bij de keuze voor één specifieke techniek, maar bij de vraag welke productiemethode het beste aansluit bij de functie, het gewenste productievolume en de totale kosten.

Beheersing van het printproces

De aandacht binnen additive manufacturing verschuift van het printen zelf naar de beheersing van het productieproces. Dat was de centrale boodschap van Wessel Wits van het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR). Vooral in sectoren als luchtvaart, defensie en energie is niet alleen het eindresultaat belangrijk, maar moet ook aantoonbaar zijn hoe een onderdeel tot stand is gekomen. Volgens Wits is een geprint onderdeel pas echt bruikbaar als de kwaliteit voorspelbaar en reproduceerbaar is. Daarom richt het onderzoek van NLR zich niet alleen op nieuwe materialen en printprocessen, maar vooral op simulatie, procesmonitoring en kwalificatie. Door het volledige productieproces digitaal te modelleren kunnen temperatuurverdelingen, spanningen en vervormingen vooraf worden voorspeld en kunnen procesparameters worden geoptimaliseerd voordat een onderdeel wordt geproduceerd.Tijdens de presentatie liet Wits zien dat simulaties ook onverwachte problemen aan het licht kunnen brengen. Zo bleek een geprint titanium onderdeel weliswaar de vereiste treksterkte te halen, maar door lokale warmteophoping ontstond oxidatie waardoor de rek aanzienlijk afnam. Door de laserstrategie aan te passen kon het materiaal alsnog de gewenste eigenschappen krijgen. Daarnaast werkt NLR aan realtime procesmonitoring. Camera’s en sensoren volgen tijdens het printen onder meer de temperatuur, het smeltbad en de opbouw van iedere laag. Die gegevens worden gebruikt om afwijkingen vroegtijdig te signaleren en uiteindelijk de kwaliteit van het eindproduct beter te kunnen voorspellen. Daarmee verschuift kwaliteitscontrole steeds meer van inspectie achteraf naar bewaking tijdens het productieproces.

Poederbatch

Ook de kwaliteit van het uitgangsmateriaal speelt daarbij een belangrijke rol. Wits liet zien dat iedere nieuwe poederbatch opnieuw moet worden beoordeeld, omdat kleine verschillen in samenstelling of deeltjesgrootte invloed kunnen hebben op het printproces en de uiteindelijke materiaaleigenschappen. Volgens Wits ligt daar de sleutel voor verdere industrialisatie van additive manufacturing. Niet alleen het geprinte onderdeel moet worden gevalideerd, maar vooral het proces waarmee het is geproduceerd. Juist dat moet ervoor zorgen dat geprinte onderdelen op grotere schaal kunnen worden toegepast in kritische industriële toepassingen.