Zandprinten: Industrieel Toepasbaar - 3Dealise in Metallerie

ADDITIVE MANUFACTURING RIJP VOOR DE DOORSNEE-KMO?


VOORBIJ DE VLUCHTIGHEID VAN DE HYPE

 

Voor minder dan 1.000 euro kun je al je eigen minifabriek op je bureau zetten: een 3D-printer. Het is een van de grootste hypes in 2014, met wellicht overdreven verwachtingen tot gevolg. Reden voor Metallerie om een minironde-tafelgesprek te organiseren. Wat kan nu wel, en wat niet? En vooral: hoe moet je als metaalverwerkende kmo omgaan met het 3D-printen?

 

 Metallerie Feb 2015Metallerie Feb 2015Metallerie Feb 2015Metallerie Feb 2015

 

INLEIDEND

Het is nu eens niet de industrie die een innovatie probeert door te drukken, maar de consument die eraan trekt. Die omarmt sinds enkele jaren het 3D-printen. Weliswaar gaat het dan om kunststof onderdelen, maar voor Philippe Reinders Folmer, directeur Renishaw Benelux, is dit wel de directe aanleiding voor de enorme belangstelling vanuit de industrie voor dit onderwerp. "De hype is ontstaan doordat je opeens een 3D-printer voor kunststof op je bureau kon zetten." Deze interesse wordt nog aangewakkerd doordat additive manufacturing van metalen componenten uit de laboratoria en de - wat hij noemt - ketenloze OEM's, die alles zelf maken, komt en richting de algemene industrie opschuift.

 

ZANDPRINTEN: INDUSTRIEEL TOEPASBAAR

Hoewel er verschillende 3D-printtechnieken bestaan, kun je voor de metaalindustrie in principe een grove indeling maken in drie technologieën. Allereerst de poederbedtechnologie voor componenten tot momenteel ongeveer 250 x 250 x 300 mm. Aan de andere kant van het spectrum is er het zandprinten van gietvormen. Hier lopen de afmetingen op tot 4.000 mm in de x-richting en 2.000 mm in de y-richting en 1.000 mm in de z-richting. Daartussenin nestelt zich de hybride technologie, die additief met verspanend combineert en in een aantal gevallen ook grotere werkstukken kan maken (zie kader). De rijpheid van deze drie technologieën is verschillend. Het zandprinten is eigenlijk industrieel het verst. Roland Stapper heeft afgelopen jaar in Nederland 3Dealise opgericht en beschikt over de eerste 3D-zandprinter in de Benelux. 3Dealise heeft al gietvormen geprint voor pomphuizen die zo'n 1.200 kilo wegen. "Metaalgieten is al 4000 jaar een driestapsmodel: eerst een positieve vorm en kern maken, daarvan een negatieve vorm - de eigenlijke gietvorm - en daarna het onderdeel gieten. Met het zandprinten halen wij een volledige stap weg, namelijk het maken van de (lossende) positieve vorm of kern. Daardoor zijn we in de gieterijwereld supersnel." Terwijl het maken van gietvormen doorgaans zes weken kost, maakt 3Dealise deze in één week. Omdat de gietvormen digitaal worden vervaardigd (direct vanuit het CAD-model), kan hij gemakkelijk elk model iets laten afwijken van het voorgaande. "Endless customization is geen probleem. Wij maken altijd seriegrootte 1." Dit zijn twee belangrijke voordelen van de zandprinttechnologie. Het andere is dat de laatste stap in het proces identiek blijft aan de huidige werkwijze. "En omdat het gietproces hetzelfde blijft, kunnen de eindproducten een Lloyd's 3.2-certificaat krijgen." Hierdoor is het zandprinten voor veel componenten nu al industrieel inzetbaar.

 

POEDERBEDPRINTEN: METALLURGISCHE KENNIS ONMISBAAR

De poederbedtechnologie, zoals Renishaw die toepast, staat iets verder van een brede toepassing in de industrie af, maar de eerste concrete voorbeelden zijn er wel al. Philippe Reinders Folmer: "In principe kun je met de poederbedtechnologie alle fijnmechanische componenten maken die nu gefreesd of gedraaid worden. Hoe complexer de delen, hoe meer de technologie geschikt is." De beperking is vooral het formaat. Dat schommelt bij de meeste fabrikanten rond 250 x 250 x 300 mm, alhoewel de eerste grotere machines al op de markt zijn gekomen (tot 800 mm in z-richting). De horde die deze technologie moet nemen, is dat het een heel nieuwe techniek is, met nieuwe metaalpoeders en een steile leercurve. Het aantal poeders is bovendien beperkt. Daarnaast moet je bij sommige machinefabrikanten het poeder via hen kopen. Renishaw laat die keuze aan de klant. "Je kunt bij ons een open systeem kopen, maar dan ben je zelf verantwoordelijk voor de juiste settings", zegt Philippe Reinders Folmer. En daar zit een van de moeilijkheden van de poederbedtechnologie. Er zijn zo'n 140 parameters die van invloed zijn op het eindresultaat. Velen daarvan hebben een onderlinge relatie. Zo is de positionering van het werkstuk van grote invloed.
Ook het feit of je met een nieuw poeder werkt, een nieuw poeder vermengt met een poeder dat al een keer in de machine is gebruikt, maar niet werd belicht, of dat je een volledig gerecycled poeder inzet, heeft invloed op de kwaliteit. Philippe Reinders Folmer: "Er is nog geen build-to-buildreproduceerbaarheid. Daarvoor moeten we eerst de menselijke factoren uitsluiten en de mechanische factoren stroomlijnen." Daar werken alle fabrikanten hard aan, maar op dit moment is metallurgische kennis absoluut noodzakelijk als je in de poederbedtechnologie stapt. En die kennis is bij veel metaalbedrijven verdwenen.

 

HYBRIDE TECHNOLOGIE

De hybride technologie staat nog in de kinderschoenen. Op EMO 2013 was het Britse Hybrid Manufacturing Technologies de eerste die een lasercladunit in een draaimachine van het Duitse Hamuel Reichenbacher integreerde. DMG Mori doet dit op basis van een vijfassige freesmachine met de Lasertec 65 Additive Manufacturing. Matsuura kiest voor een poederbedmachine en bouwt daar een freesmachine in. Het idee dat deze fabrikanten hebben, is dat je tijdens het opbouwen van de onderdelen tussentijds al freesbewerkingen kunt doen. Deels kun je dan nog bewerken waar je later met de frees niet meer bij komt, deels zeggen ze dat je de stukken ook echt afgewerkt van de machine haalt. Bij de poederbedmachines moet er altijd nog een nabewerking op een verspanende machine plaatsvinden, omdat de oppervlaktekwaliteit te ruw is. Een nadeel van de hybride machines ten opzichte van de poederbedmachines is dat er geen inwendige gesloten structuren gemaakt kunnen worden.

 

DESIGN MATTERS

Inwendige gesloten structuren vormen nu net een van de mogelijkheden die het additief vervaardigen op een poederbedmachine aantrekkelijk maken. Je kunt bijvoorbeeld inwendige kanalen optimaliseren, zodat je minder turbulentie krijgt, en daardoor minder trillingen. Dat is een van de redenen waarom met name de precisie-industrie met veel interesse naar additive manufacturing kijkt. Philippe Reinders Folmer: "Je kunt zo ontwerpen dat je functies integreert waardoor je waarde toevoegt." De optimalisatie van het design is één aspect. Maar je kunt wellicht ook denken aan het redesignen van onderdelen die nu uit meerdere componenten bestaan, zodat ze in één keer gebouwd kunnen worden, waardoor de assemblagekosten vervallen. Dat is een concreet winstpunt dot 3Dealise behaalt bij het zandprinten. Roland Stapper: "Tot nog toe moeten gietmodellen altijd lossend zijn, want je moet ze uit het zand kunnen halen. Omdat wij die stap overslaan, hoeven onze vormen niet lossend te zijn. Ook kunnen we vormen die klassiek uit meerdere delen worden opgebouwd, in één keer printen. Dat scheelt het samenstellen van de gietvorm." Design blijkt een wezenlijke rol te spelen bij de inzet van de nieuwe technologie. Want door deze nieuwe mogelijkheden kun je anders ontwerpen en tot grote gewichtsbesparingen komen. 3Dealise heeft bijvoorbeeld een prototype voor een machinetafel ontworpen die 40% minder weegt dan het oorspronkelijke model, met dezelfde mechanische eigenschappen. Roland Stapper: "Dat bespaart materiaal, energie en de machine krijgt betere dynamische eigenschappen."

 

DREMPELS

Belangrijk is om niet alleen naar de voordelen van additive manufacturing te kijken, ook naar de nadelen. Want die zijn er eveneens. Bij de poederbedtechnologie zijn dat bijvoorbeeld de poeders. Die markt is nog klein, het aantal aanbieders heel beperkt, en lang niet alle poeders zijn gecertificeerd. Het aantal manuele handelingen dat je moet verrichten, is eveneens nog een obstakel, vindt Philippe Reinders Folmer. Dat zit met name in het van de bouwplaat afhalen van de producten. Deze worden losgevonkt. De andere beperking is nog de oppervlaktekwaliteit. Deze is bij de poederbed- en hybride machines per definitie ruw, omdat je fijne poeders met elkaar versmelt. De stukken moeten dus nog nabewerkt worden op de vlakken waar een hoge nauwkeurigheid vereist is. Een obstakel bij het zandprinten is dat de vormen slechts eenmalig te gebruiken zijn. "Bij enkelstuks een voordeel, maar als je een middelgrote serie nodig hebt, is het rendabeler om op de klassieke wijze een mal te maken", aldus Roland Stapper. Met de toenemende vraag naar op maat gemaakte producten vervalt dit nadeel. De hoge instapkosten zijn wellicht een andere belemmering. De technologie is niet goedkoop. De waarde moet daarom komen uit de korte doorlooptijd. Voor eenvoudige gietdelen is de technologie te duur; voor complexe delen of als je gewicht weet te besparen, niet. Daarom moet je meer dan ooit naar de total cost of ownership kijken, meent de directeur van 3Dealise. "Een pomp die duurder is in de aanschaf, kan door een lager energieverbruik, over de levensduur gezien, toch goedkoper zijn. Dat besef moet doordringen. De salesmanager kan ook elke keer een nieuw product verkopen, omdat we enkelstuks kunnen maken. In de hele industrie moet het doordringen dat we aan het begin van een revolutie staan."

 

WANNEER INSTAPPEN?

Moet je als metaalverwerkende kmo dan nu investeren in additive manufacturing? Metaalprinters kosten, inclusief alle randapparatuur, toch al gauw zo'n 700.000 euro; een zandprinter gaat richting 1 miljoen euro. Philippe Reinders Folmer adviseert kmo's om vooral de technologische ontwikkelingen op de voet te volgen. Hij denkt dat de metaalprinters over een aantal jaren net zo gewoon worden als een frees- of draaimachine. Ook Stapper denkt dit. "Je moet als verspaner nu nadenken over wat deze beweging voor je onderneming zal betekenen. De komende tijd worden de winnaars en verliezers gemaakt, net als enkele jaren geleden, toen de beweging van retail naar het online shoppen ingezet werd. Je moet nu met het 3D-printen aan de gang gaan. Als je dat niet doet, krijg je het over vijf jaar moeilijk." Philippe denkt dat het helemaal niet verkeerd is om een goedkope desktopprinter te kopen om ervaring op te doen. "Dat helpt om in 3D te leren denken."

 


Additive manufacturing: drie grote segmenten

 

Poederbedtechnologie

• Technologie: een bed van metaalpoeders wordt met een laserstraal belicht. Waar er materiaal nodig is, versmelten er poeders. Als de eerste laag is opgebouwd, zakt het plateau waarop het werkstuk staat, en wordt er een nieuwe laag poeder verspreid. Zo wordt er laag voor laag opgebouwd. Op bepaalde plaatsen is een supportstructuur nodig, die ook wordt gebruikt om warmte uit het werkstuk sneller af te leiden naar de bouwplaat. Die supportstructuren moeten naderhand verwijderd worden.
• Materialen: veel verschillende materialen zijn beschikbaar in poedervorm, variërend van inox, titanium en Inconel tot kobaltchroom.
• Leveranciers: Renishaw, EOS, SLM Solutions, Concept Laser, 3D Systems, Optomec, Realizer.

 

Hybride technologie

• Technologie: het laagsgewijs opbouwen van het product wordt gecombineerd met de verspanende bewerking in één machine. Hierbinnen zijn er twee richtingen te onderscheiden. Matsuura kiest bijvoorbeeld voor de poederbedtechnologie en integreert in de lasersmeltmachine een microfreesmachine. DMG Mori en Hermle nemen als basis een vijfassig bewerkingscentrum en integreren de AM-unit hierin. DMG Mori spuit het poeder in de laserstraal, Hermle kiest voor thermisch opspuiten.
• Materialen: voor de hybride technologie, zoals DMG Mori deze toepast, zijn veel metaalpoeders beschikbaar.
• Leveranciers: DMG Mori, Matsuura, Hermle (verkoopt geen machines, produceert wel voor klanten) en recent Mazak (de machine is nog niet beschikbaar).

 

Zandprinten

• Technologie: deze fabrikanten gebruiken zand waar er een bindmiddel op wordt geïnjecteerd. Het bindmiddel houdt de zandkorrels als een soort lijm bij elkaar. Hiermee kunnen ze, zonder dat ze support nodig hebben, vormen opbouwen die vergelijkbaar zijn met de klassieke gietvormen. Om een eindproduct te krijgen, wordt er op de klassieke wijze gegoten. Qua afmetingen zijn er amper begrenzingen. De grootste 3D-printer komt tot vormen van 4.000 mm lang.
• Materialen: doordat de laatste stap - het gieten - identiek is aan de techniek die al eeuwenlang wordt toegepast, zijn alle gangbare gietmetalen beschikbaar, inclusief alle certificeringen.
• Leveranciers: Voxeljet, ExOne

UNSERE VISION: DIE NÄCHSTE REVOLUTION IM PRODUKTIONSBEREICH

Freiheit des Entwurfs
Direkt vom CAD
In der eigenen Region
Alles aus einer Hand
Keine Verschwen-dung
Wenig CO2
Schnell
Einzelan-fertigungen