Technologie staat ten dienste van een efficiënter en beter productieproces. Zo bouw je als maakbedrijf een competitief voordeel uit, in termen van prijs en/of kwaliteit. Voor veel technologieën zijn de belangrijkste parameters genoegzaam bekend – het is nogal snel een uitgemaakte zaak hoe bepaalde onderdelen, eindproducten, matrijzen of fixtures best kunnen worden geproduceerd. Dat ligt anders met de nieuwkomer 3D-printing of Additive Manufacturing: niet alleen zijn niet alle parameters tot in detail gekend, de parameters zelf evolueren ook nog doordat de technologie aan een hoog tempo doorontwikkeld wordt.  

Dat laatste is op zich goed nieuws: 3D-printing is hoe langer hoe meer een technologie die kan toegevoegd worden aan het rijtje opties ter beschikking van elk maakbedrijf.

Daarnaast kan opgemerkt worden dat 3D-printing nog vaak als één technologie wordt beschouwd, terwijl we heden ten dage eigenlijk al moeten spreken over een tiental technologieën (alleen al in metaalprinten) met zeer uiteenlopende kenmerken – en dus ook met heel andere voor- of nadelen. We verwijzen hier naar ons artikel over 3D-printen in metaal voor meer details in verband met de verschillende technologieën. Je hoeft echter niet alle technische details te begrijpen om binnen je organisatie aan de slag te gaan met 3D-printen. Daarvoor zijn er specialisten die je verder helpen, en bovendien is niemand expert in alle verschillende 3D-printtechnologieën. Het is beter zich te richten op wat deze opkomende technologieën in de nabije toekomst voor jouw bedrijf kunnen betekenen. Beseffen in welke cases de voordelen van de technologie tot uiting zullen komen is wellicht veel belangrijker.

Kortom: iedereen zoekt een antwoord op de vraag wanneer en voor welke toepassingen 3D-printing relevant is. En zoals bij elke technologie zal de partij met de meeste kennis ter zake er het meest voordeel uit kunnen halen. Tijd dus om bij te scholen – want hoewel 3D-printing geen rocket science is, is ‘doodsimpel’ ook niet bepaald het gepaste epitheton ornans.

It’s complicated…

Een eerste reden – en wellicht de meeste bekende – om voor Additive Manufacturing te kiezen, is complexiteit: als een stuk onmogelijk of zeer moeilijk met een andere productietechnologie dan 3D-printing kan gemaakt worden, dan biedt 3D-printing wellicht een oplossing.

Een illustratie hiervan vinden we bijvoorbeeld in het project “AM4XT” (Additive Manufacturing For Extrusion Tooling), waarin VIVES samenwerkt met KU Leuven Brugge aan het gebruik van metaalprinten in extrusielijnen. Andere partners in het project zijn o.a. extrudeurs zoals Orac, Injextru en Deceuninck, maar ook matrijzenbouwers, dienstverleners en toeleveranciers zoals Cadcamatic en Ventec.

Bij het produceren van plastic profielen door middel van extrusie wordt gesmolten plastic door een matrijs geperst en vervolgens afgekoeld door middel van koelkalibers. Deze kalibers zorgen ervoor dat de profielen tijdens het stollen hun exacte vorm krijgen, en zijn bijgevolg van cruciaal belang. Een zo efficiënt mogelijke koeling is noodzakelijk om defecten en vervormingen in het profiel tegen te gaan, maar dit is niet altijd even makkelijk te bereiken. De profielen zijn vaak zeer complex vormgegeven en bezitten fijne details, waardoor conventionele productietechnieken (CNC-frezen, vonken) tekortschieten. Daardoor bestaan de huidige koelkalibers vaak uit een heel aantal aparte onderdelen, waarin koelkanalen aangebracht zijn door middel van boringen.

Fig. 1. Links: conventioneel geproduceerd onderdeel voor Injextru met geboorde koelkanalen. Rechts: 3D-geprint profiel met geoptimaliseerde koelkanalen.

De vormvrijheid van de gebruikte SLM-technologie (Selective Laser Melting) laat toe onderdelen te printen met zeer complexe en gedetailleerde interne koelkanalen. Deze kunnen per profiel specifiek ontworpen worden om een zo efficiënt mogelijke warmte-afname te garanderen. En dat kan ook leiden tot verhoogde productiesnelheden.

Fig. 2. Opengesneden model van een geprint koelkaliber voor Deceuninck, met zichtbare interne kanalen en details.

Het is wel duidelijk dat complexiteit hier niet de enige reden is om 3D-printing overwegen: enerzijds is er dus een proces- en productoptimalisatie, en anderzijds laat de technologie ook toe om het aantal onderdelen per koelkaliber te minimaliseren, en het geheel een stuk compacter te maken. Die combinatie van potentiële voordelen is uiteraard een ideale uitgangspositie om het gebruik van 3D-printing uit te proberen.

Ook bij andere toepassingen is de mogelijkheid om complexe interne (koel-)kanalen te voorzien een goede reden om voor additieve productie te kiezen.

Matrijzen

Lees: dat is ook het geval bij matrijzen. Ook hier vinden we die combinatie van complexe geometrieën, een gewenste optimalisatie van de warmteoverdracht in vaak ook een beperkte ruimte.

Algemeen is in de gereedschapsindustrie de druk op de kosten hoog. Het beheersen van die kosten kan gedeeltelijk worden bereikt door de productiedoorvoer van de machine te optimaliseren, en door afval te verminderen. Een oplossing is ook het gebruik van conforme koeling. Door gereedschappen te produceren middels additieve productie, kunnen zeer complexe koelkanalen dicht bij het oppervlak van het onderdeel worden voorzien. Dit resulteert in een geoptimaliseerde warmtestroom en tijdwinst tijdens afkoeling, waardoor het risico op kromtrekken vermindert en de kwaliteit van de onderdelen verbetert. Ook scoort 3D-printing voor de productie van matrijzen vaak beter op levertijden en zelfs op de kost.

Een goed voorbeeld vinden we in onderstaande matrijs in gereedschapsstaal, geprint op een Trumpf-printer (in België verdeeld door V.A.C. Machines). Door het voorzien van conforme koeling verbeterden de koelprestaties met30%- wat op zijn beurt ook zorgde voor een reductie in de cyclustijd van 10%. Bovendien nam ook de nauwkeurigheid van het onderdeel toe, door de geoptimaliseerde koelkanaalposities. Het zijn cijfers die we ook in andere, gelijkaardige voorbeelden terugzien.

Kortom: een betere koeling zorgt voor betere prestaties. En die gewenste verbetering van prestaties zien we ook nog terugkomen in andere voorbeeld-cases.

Bron: Phoenix Contact

Betere prestaties

Materialise en Philips Lighting onderzochten de voordelen die 3D-printen kan bieden voor componenten in een productieomgeving. Een van de eerste onderdelen die ze ontwikkelden was een zuiggrijper (suction gripper). De automatisering van het proces was enkel mogelijk mits een verbetering van het vacuümzuigvermogen van de grijper enerzijds, en een een lichtere constructie die toch de spanningen aankon in het pick & place proces met een robotarm anderzijds.

Door de constructie te consolideren (minder afzonderlijke onderdelen), gebogen interne kanalen te creëren en de grijper in aluminium (AlSi10Mg) te printen, is de sterkte en zuigkracht verbeterd terwijl het totale gewicht van de eenheid verlaagd. Dat zorgt er uiteraard voor een snellere en meer accurate beweging. Er wordt gerekend op een besparing van meer dan € 80.000 per jaar, bovenop het wegvallen van een operator.

In deze case is de gewichtsbesparing een van de redenen waarom het eindproduct mogelijk werd. Het moet gezegd dat die factor – het potentieel van gewichtsbesparing – AM mee heeft groot gemaakt. Die potentiële gewichtsreductie is natuurlijk inherent aan het additieve aspect van de technologie: er wordt enkel materiaal gebruikt (geprint) waar nodig, in tegenstelling tot subtractieve technologieën.

De in metaal 3D-geprinte suction gripper in werking.

Lichtgewicht

Het voordeel van een lichter gewicht kan te maken hebben met de inertie bij bewegende constructies of onderdelen, het tegengaan van trillingen, maar ook met andere redenen: een ander voorbeeld dat uit een Trumpf-machine rolt, is er een uit de luchtvaartsector. Zonder deze sector stond AM wellicht niet waar het nu staat.

De impact van een kilo meer of minder aan boord is namelijk gigantisch: er werd al berekend dat, door het gewicht van een langeafstand passagiersvliegtuig met 100 kg te verminderen, er $ 2,25 miljoen aan brandstof kan worden bespaard over de standaard levensduur (30 jaar) van een toestel. Hoewel zo’n cijfers behoorlijk relatief zijn, neemt dat niet weg dat een kilo bijzonder veel waarde heeft in de luchtvaartsector.

Het spreekt dus voor zich dat er in deze sector belangrijke investeringen in additieve productie werden gedaan – en nog steeds gebeuren.

In het voorbeeld van Trumpf gaat het om complexe montagebeugels, componenten voor de behuizingen van de motoren. In deze toepassingen gebruikt men typisch aluminium-, titanium- en nikkel-gebaseerde legeringen.

Bij dit design zien we ook duidelijk het voordeel van de ontwerpvrijheid: de topologie kan dusdanig worden geoptimaliseerd dat er enkel materiaal wordt gedeponeerd langs de krachtstroomlijnen. Die geometrische vrijheid leidt niet alleen tot de beoogde gewichtsreductie (30% in dit geval), maar ook tot een reductie van 90% van het weg te frezen materiaal.

Bron: Laser Zentrum Nord

In de ruimtevaart is “gewicht” nog belangrijker: het kost zo’n $ 20.000 om eenmalig een kilo in een baan om de aarde krijgen. Materialise ging samen met de afdeling engineeringvan Atos aan de slag om een titanium insert te herontwerpen. Het eindproduct evolueerde dankzij doorgedreven optimalisatie van 1.454 naar 500 gram. We zien daarbij het potentieel van complexe roosterstructuren (lattice structures) om de vaak tegengestelde vereisten van sterkte en gewicht toch te verenigen.

Elke kilogram die in een baan om de aarde wordt gebracht kost ongeveer 20.000 dollar. Elke gram die wordt bespaard, helpt om de ruimte een beter bereikbare grens te maken. Materialise werkte dus samen met de engineeringafdeling van Atos, om een titanium insert te herontwerpen die veel gebruikt wordt in satellieten. Het resultaat: 66% lichter.

Uit bovenstaande besluiten dat 3D-printing enkel (financieel) interessant is in gevallen waarbij de technische of functionele vereisten uitzonderlijk zijn, zou echter niet correct zijn. Additive Manufacturing wordt op dit moment ook meer en meer ingezet met als primair doel het realiseren van een kostenbesparing. Met de toenemende efficiëntie van de technologie, zal dat trouwens hoe langer hoe meer het geval zijn.

Zo is er het voorbeeld van BMW, waarbij geprinte steunen voor de cabriokap van de BMW i8 30% goedkoper zijn dan de gegoten versie (magnesiumgieten). En het gaat daarbij om een seriegrootte van 60.000 stuks.

Het 3D-geprinte onderdeel heeft ook een voordeel in de assemblage: het kan makkelijker verwerkt worden in de pre-assembly dan het originele ontwerp.

Het aspect kostprijs vinden we ook terug bij reserveonderdelen. De vraag naar reserveonderdelen is meestal periodiek en het is moeilijk om te voorspellen wanneer specifieke onderdelen nodig zijn en waar. Het beschikbaar houden van die onderdelen in de schappen is een kostbare zaak, die opslag vereist voor de onderdelen en het fixeren van gereedschappen. Additive Manufacturing maakt on-demanden lokale productie van reserveonderdelen mogelijk, vermijdt inventarissen en transformeert stilaan hele toeleveringsketens.

Bij de meeste cases is het een verhaal van “Total Cost of Ownership”, eerder dan van de productiekost alleen. Maar een keuze voor Additive Manufacturing is in die zin niet anders dan de keuze voor eender welke andere technologie.

Conclusie: wanneer heb je een case?

Wanneer de designmogelijkheden die additieve productie biedt worden gebruikt om voordelen te behalen op het gebied van productfunctionaliteit, productiekosten of time-to-market, biedt AM in bepaalde cases duidelijke strategische kansen voor toekomstig succes. Ontwerp zal de belangrijkste waardecreërende en onderscheidende factor zijn, aangezien de combinatie van ontwerp- en materiaalkennis bedrijven in staat stelt bestaande producten te verbeteren.

Als er issues zijn met temperatuur, temperatuur-uitwisseling, gas -of vloeistofstromen, gewicht, assemblage, reserveonderdelen en stockbeheer, kleine series en – uiteraard – complexiteit, dan loont het zeker de moeite om Additive Manufacturing te overwegen. Andere parameters die een rol kunnen spelen zijn het verminderen van afval, massa-customisatie (waarbij elk stuk uit een serie “gepersonaliseerd” is), functie-integratie, enzovoort.

Enkele typische toepassingen waar 3D-printing kan ingezet worden, zijn dan ook: automatisatie, proces -en productoptimalisatie, ontwerp en prototyping, machineonderdelen – ook bijvoorbeeld in de voedingsindustrie, gereedschappen (tooling), medische hulpstukken en implantaten, structurele componenten… naast vele andere.

3D-printen kan dus in heel wat verschillende cases een duidelijk voordeel bieden. De meeste 3D-print bedrijven bieden ook ondersteuning bij de identificatie van die businesscases en bij het (her-)ontwerpen van de stukken in kwestie. Een overzicht van printbedrijven in Vlaanderen en Nederland vind je via onze ledenpagina. Als sectororganisatie biedt Flam3D ook onafhankelijk advies voor het identificeren van de juiste partners voor uw project.