Additive Manufacturing voor de metaalindustrie

Additive manufacturing, populair gezegd 3D-printen, is in korte tijd uitgegroeid tot een volwaardige productietechnologie. Feitelijk gaat het om een verzameling van verschillende technologieën waarbij een product laagsgewijs wordt opgebouwd. Wordt er bijvoorbeeld een metaalpoeder of metaaldraad als grondstof gebruikt, dan leidt dit tot een metalen product. Kris Binon, algemeen directeur van Flam3D, bespreekt de mogelijkheden die Additive Manufacturing kan bieden voor de metaalindustrie.

Een patentaanvraag van Ralph Baker uit 1920 spreekt al over het laagsgewijs oplassen voor het maken van decoratieve of functionele producten. Echt ‘nieuw’ kun je het idee achter Additive Manufacturing dus niet noemen, vertelt Kris Binon. “Maar dat is natuurlijk niet het hele verhaal: andere technologieën zijn heel wat recenter, en ook nu worden er nog nieuwe technologieën ontwikkeld en gepatenteerd.” Als directeur van het kennisplatform Flam3D houdt Binon zich sinds 2015 bezig met het samenbrengen van bedrijven en instellingen die actief zijn op het gebied van Additive Manufacturing.

Scheidslijn

In een aantal gevallen kan je je afvragen waar precies de scheidslijn ligt tussen oplassen of cladden en Additive Manufacturing (AM). “Je zou kunnen stellen dat het onderscheid ligt in het aantal aangebrachte lagen, maar dat is eerder arbitrair. Wellicht gaat het vooral om de manier om naar de technologie te kijken. Bij AM is het einddoel een geprint product – al dan niet op een substraat dat deel uitmaakt van het eindproduct. Bij oplassen of cladden vertrek je wellicht minder van dat idee. Dat wordt toch vooral ingezet als verbetering van een bestaand product.”

Toepasbaarheid

Additive manufacturing kent bijzonder uiteenlopende toepassingen en producten, in zowel de automotive als medische industrie, de luchtvaart en de machinebouw. “Enkele voorbeelden? Implantaten, hoorapparaten, onderdelen van wagens en vliegtuigen, reserveonderdelen, satellietonderdelen, en ga zo maar door. Er zijn hoe langer hoe meer sectoren waarin de technologie wordt toegepast. We merken ook dat AM steeds meer wordt ingezet in markten waar de aantallen groter zijn en voor onderdelen met een relatief lagere toegevoegde waarde. Die trend is natuurlijk inherent aan de toenemende snelheid en afnemende prijs van de technologie.”

Binon noemt als belangrijkste voordelen van Additive Manufacturing:

Snelheid: “Dit hangt wel af van de toepassing en de gebruikte technologie. Kort geschetst: je kan heel snel prototypes en kleine series maken. Maar bij grotere oplages kan de technologie slechts in specifieke gevallen concurreren.”

Ontwerpvrijheid: “De productiekosten zijn tamelijk onafhankelijk van de vorm van het product. Complexiteit brengt weinig of geen extra kosten met zich mee. Voor heel complexe stukken biedt AM een uitgelezen voordeel.”

Productvariatie: “De ontwerpvrijheid zorgt er ook voor dat je heel gemakkelijk aanpassingen kan maken in je ontwerp – je kan oneindig variëren in je product.”

Materiaalbesparing: “Met de meeste AM-technologieën gebruik je veel minder materiaal – je gaat in essentie enkel materiaal aanbrengen waar nodig. Maar het ecologisch argument moet toch met enige voorzichtigheid bekeken worden. De recuperatie van grondstoffen geldt niet voor alle technologieën, en ook kan niet altijd alle grondstof gerecycleerd worden. Bovendien is er voor de aanmaak en verwerking van verschillende grondstoffen aardig wat energie nodig. Maar dat er perspectieven en mogelijkheden zijn, dat staat vast.”

“De productiekosten zijn tamelijk onafhankelijk van de vorm van het product. Complexiteit brengt weinig of geen extra kosten met zich mee. Voor heel complexe stukken biedt AM een uitgelezen voordeel.”

Minder processtappen: “Vaak kan er een belangrijk voordeel worden gehaald door slimme ontwerpen die assemblage vermijden of wegnemen. Bij andere technologieën is het apart produceren van verschillende onderdelen vaak ontstaan uit noodzaak of een beperking, inherent aan de technologie. AM biedt kansen door herontwerpen in functie van efficiëntie. Bovendien kan je zelfs bewegende delen ‘in elkaar printen’.”

En als belangrijkste beperkingen:

Snelheid: “Zoals gezegd kan dit bij grote series de beperkende factor zijn. Als ik de vergelijking mag maken tussen polymeerprint en spuitgietstukken: de barbiepop die elke zoveel seconden uit de spuitgietmachine wordt uitgeworpen, daar kan polymeerprinten nog niet mee concurreren en daar moeten we ons ook niet op richten. Maar we moeten nu wel al rekening houden met de ‘wet van Moore’: de printsnelheden blijven toenemen, waardoor meer en meer producten in het bereik komen van de nieuwe technologie.”

Leercurve: “AM is een technologie die niet alleen kennis van de machine en het proces vraagt, maar ook van de nieuwe ontwerpregels en mogelijkheden. Dat maakt dat je als bedrijf rekening moet houden met een zekere investering in kennis (mensen) en tijd. Uiteraard hoeft niet iedereen een printer te kopen – vaak is de eerste stap om het eigenlijke printwerk te outsourcen. En dat kan zo blijven – voor kleinere hoeveelheden printwerk loont het vaak niet om een eigen machine aan te kopen.”

Kosten: “Dit is echter een bijzonder relatief verhaal. Sommige printers kosten tot enkele miljoenen euro’s, andere zijn veel goedkoper. Grondstoffen voor AM zijn vaak een stuk duurder, bijvoorbeeld omdat de vereisten voor metaalpoeders best wel strikt zijn. Dat neemt niet weg dat er steeds nieuwe producten ontdekt worden waarvoor AM de beste productiemethode blijkt. Het heeft dan ook geen zin om de technologie simpelweg weg te zetten als ‘duur’ – het hangt af van het product in kwestie.”

Nabehandeling: “In veel gevallen is de oppervlakteruwheid van geprinte stukken te laag, en/of is een thermische nabehandeling van het materiaal nodig. Vanzelfsprekend moet dat in rekening gebracht worden. Anderzijds kan dit ook creatief kan worden aangepakt: stukken worden bijvoorbeeld zo ontworpen dat nabehandelingsstappen geminimaliseerd worden. Of er wordt enkel verspaand op plaatsen waar dit echt nodig is.”

Validatie, kwaliteitsconsistentie: “Vanwege het ontbreken van standaarden en relatief beperkte kennis omtrent het printproces, zijn thema’s als kwaliteitsconsistentie, validatie, verzekering en dergelijke in sommige gevallen een pijnpunt. Niet dat dat de groei tegenhoudt: niet voor niets zitten er geprinte stukken in vliegtuigen, auto’s en zelfs mensen. Maar het blijft natuurlijk een aspect om mee te nemen bij de evaluatie van de technologie.”

Dit zijn slechts algemeenheden, want eigenlijk spreken we over heel wat verschillende technologieën, elk met hun eigen voor- en nadelen. We moeten het dan ook echt durven zien als een positieve uitdaging: waar zit voor mijn bedrijf, voor mijn toepassing, een mogelijkheid om competitiever te worden met AM? AM mag nooit een doel op zich zijn – competitiviteit van onze bedrijven is het doel, AM is een middel. Het is een nieuwe gereedschapskist met heel wat handige tools.

Van alle beschikbare technologieën is de meest toegepaste techniek voor het 3D-printen van metaal op dit moment ongetwijfeld het poederbedprinten met behulp van laser. “Zeker niet de goedkoopste technologie per cm³ geprint materiaal, maar bijzonder accuraat. We verwachten echter wel dat er een verschuiving komt naar andere technologieën en/of hybride vormen van AM.” Zo zijn de mogelijkheden van WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) volgens Binon bijzonder groot. “Natuurlijk is er het ‘probleem’ van de oppervlaktestructuur, maar vaak is dat overroepen: ten eerste omdat in veel toepassingen de nabehandeling beperkt kan worden tot de functionele delen. Ten tweede omdat het printproces en de nabewerking vaak nog niet naadloos op elkaar zijn afgestemd. Zijn die twee hindernissen eenmaal genomen, dan denk ik dat de technologie verder zal doorbreken.” Ook voor bijvoorbeeld binder-jetting en filament-gebaseerde metaalprint technologieën zien ze bij Flam3D een mooie toekomst weggelegd.

Ideale fabricagetechniek

Voor welke fabricagetechnieken kan AM een goed alternatief zijn? “Dat vind ik een moeilijke vraag … enerzijds wil ik antwoorden ‘voor alle fabricagetechnieken’, en dat klopt ook in zekere zin: de keuze van de meest ideale fabricagetechniek hangt af van andere parameters (bijvoorbeeld complexiteit) dan van de methode an sich. Anderzijds is het niet realistisch, of in sommige gevallen nog niet realistisch, om dat effectief te doen. Bovendien zijn de verschillende technologieën vaak stappen in een proces om tot een afgewerkt product te komen – pas als al die technologieën gaan ‘samenwerken’, kunnen we spreken van echte efficiëntiewinst. De vraag is dus niet welke technologie vervangen zal worden, maar hoe we zo efficiënt mogelijk de verschillende technologieën op elkaar kunnen laten inspelen.”

Tot slot een advies voor metaalverwerkende bedrijven die de mogelijkheden van AM willen onderzoeken, zonder meteen een grote investering te hoeven doen. “Leer bij! 3D-printing is in zekere zin niet meer dan een set nieuwe tools in de gereedschapskist. Leer die gebruiken om er je voordeel mee te doen. Die mogelijkheden zijn er vast en zeker. Bij Flam3D kunnen we doorverwijzen naar de meest geschikte partners voor een bepaalde uitdaging.”

Dit artikel verscheen eerder in het vakblad Lastechniek.