Metaalprinter

Dossier: metaalprinten

Er wordt veel gesproken over de ongekende mogelijkheden van 3D-printen van metaal. En inderdaad, metaalprinten kent unieke eigenschappen die moeilijk te evenaren vallen met andere productietechnieken. Het grootste voordeel is ongetwijfeld ontwerpvrijheid: de kost van het produceren is op zich vrij onafhankelijk van de vorm van het product. Complexiteit brengt weinig of geen extra kosten met zich mee. Dat maakt natuurlijk meteen ook dat voor heel complexe stukken additieve productie een uitgelezen voordeel biedt. Die ontwerpvrijheid zorgt er bovendien voor dat je heel gemakkelijk aanpassingen kan maken in je ontwerp – je kan oneindig variëren door kleine aanpassingen in het ontwerp aan te brengen.

Diezelfde ontwerpvrijheid staat ook ‘smart designs’ toe, ontwerpen die assemblage vermijden of wegnemen: bij andere technologieën is het produceren van verschillende deelonderdelen voor een bepaald object vaak ontstaan uit noodzaak of een beperking, inherent aan de technologie. 3D-printen biedt daar belangrijke kansen die her-denken van ontwerpen in functie van efficiëntie mogelijk maken.

Een van de redenen waarom 3D-printen in metaal de laatste jaren zo’n hot topic is geworden, is omdat verschillende onderdelen tegenwoordig al in serie kunnen worden geprint voor massaproductie. De printsnelheden en kosten die gepaard gaan met het printen van bepaalde stukken, dalen namelijk nog steeds vrij significant. Let wel, het additief opbouwen van metalen voorwerpen biedt vaak enkel interessante mogelijkheden wanneer de technologie ook op een juiste manier wordt ingezet. Het effectief toepassen van het 3D-printen van metaal vraagt veel meer dan de inzet van een printer. Het ontwerp van het stuk dat je wil gaan printen is namelijk steeds de differentiërende factor om voordeel te halen uit Additive Manufacturing. Bovenstaande ‘voordelen’ zijn bovendien slechts een paar algemeenheden, want eigenlijk omvat 3D-metaalprinten een handvol verschillende technologieën, elk met hun eigen voor -en nadelen. Meer over de verschillende technologieën voor metaalprinten kan je terugvinden in ons artikel ‘3D-metaalprinten bestaat niet’.

Poederbed

We gaan in dit artikel voornamelijk uit van machines die gebruik maken van de poederbedtechnologie (SLM of DLMS). In dit proces wordt een laag geatomiseerd metaalpoeder op welbepaalde plaatsen gesmolten en zo aan elkaar gehecht (door laser of elektronenbundel). Er wordt vervolgens een nieuwe laag poeder gelegd, en het proces wordt herhaald om een stuk op te bouwen. Deze manier van ‘printen’, is momenteel nog steeds met ruime voorsprong de meest toegepaste technologie voor metaalprinten. De technologie leent zich uitermate voor het additief produceren van structuren waar een hoge precisie vereist is.

Die nauwkeurigheid brengt echter wel nadelen met zich mee: de machines vereisen vaak nauwe toleranties, bijvoorbeeld voor wat betreft het metaalpoeder dat als materiaal wordt gebruikt, de bouwsnelheid is relatief traag, en hele grote componenten produceren wordt al wat moeilijker. En laat dat nu nét zijn waar een andere technologie zijn sterke punten in kent: Directed Energy Deposition (DED) en haar varianten (zoals ‘cladding’ en ‘wire arc additive manufacturing’). Deze technologiën ook bespreken zou ons echter te ver leiden in dit artikel, maar u moet weten dat ze een aantrekkelijke en aanvullende manier van produceren vormen.

Vergeleken met de poederbed-processen liggen de opbouwsnelheden en hierdoor ook het procestempo hoog. De precisie en oppervlakteruwheid is echter wel een pak hoger en daarom leent deze manier van printen zich eerder voor het maken van grotere onderdelen voor offshore, maritieme toepassingen en lucht- en ruimtevaart. Poederbedprinters kan men daarentegen terugvinden allerlei sectoren: automotive, machinebouw, medisch (en dentaal) en luchtvaart. Een gemiddeld bouwvolume van dergelijke printer ligt rond de 300 x 300 x 250 mm, maar er zijn ook heel wat printers met bijvoorbeeld dia. 100 x 100 mm, en er zouden printers met een bouwoppervlak van 2 x 0.5 x 0.5 meter in de maak zijn. Verschillende soorten staal, titanium, aluminium, kobalt-chroom en nikkellegeringen zijn in poedervorm beschikbaar.

Aan de slag… of toch niet zo snel?

Niet alle toepassingen lenen zich voor additive manufacturing. Voordat AM in uw organisatie wordt geïntroduceerd, is het daarom belangrijk dat er zowel een use-case als een business case voor de technologie is. De vraag die namelijk alleerst dient gesteld te worden is waar voor uw bedrijf of toepassing een mogelijkheid om competitiever te worden door middel van 3D-printen? Het inzetten van additieve productie binnen een bedrijf mag namelijk nooit een doel op zich zijn. 3D-printen is louter een middel om de competitiviteit van uw bedrijf te verhogen.

Wanneer er echter interessante toepassingen voor metaalprinten werden geïdentificeerd, wordt het tijd om, bij wijze van spreken, de handen uit de mouwen te steken. Daarbij staan veel bedrijven echter voor de uitdaging om 3D-printen in eigen huis uit te voeren, of uit te besteden aan een gespecialiseerd 3D-printservicebureau. We bespreken in dit artikel de twee mogelijke routes om aan de slag te gaan. Er bestaat weliswaar niet één uniforme aanpak: beide opties hebben hun voor- en nadelen en de keuze hangt uiteindelijk af van de doelstellingen van uw organisatie. Om te helpen in uw besluitvormingsproces, zullen we in dit artikel de voor-en nadelen van beide opties nader bekijken en de belangrijkste factoren verkennen die elk bedrijf zou moeten overwegen bij de uitvoering van hun AM-strategie.

Welke route het meest voor de hand ligt hangt af van verschillende factoren. De methode die u kiest, moet namelijk aangepast aan uw workflow- en projectdoelstellingen. De applicaties die u wil printen, en de frequentie waarmee u wil printen, dienen beslissingsdriver nummer één te zijn in de vraag of u wil uitbesteden of aanschaffen.

Een eerste stap

Een eerste logische stap zou zijn om met ervaringsdeskundigen aan tafel te gaan zitten. Indien u nog geen ervaring hebt, of een lage hoeveelheid onderdelen wil laten printen, zijn servicebureaus vaak de beste optie. Bedrijven die printservices leveren zijn ook handig als uw onderdelen uit zeer verschillende materialen bestaan of verschillende toepassingen hebben: bij een dergelijk complex productiedossier dat specialistenwerk vereist, is een servicebureau met ervaring in ontwerp voor additieve productie misschien wel de beste keus. Ervaren aanbieders in België en Nederland zijn er genoeg[1]. Ook specifieke toepassingen zoals cladding worden daarom vaak geoutsourcet naar gespecialiseerde bedrijven zoals Laser Cladding Venture of CRM Group.

Training en gekwalificeerd personeel is namelijk al van belang in de ontwerpfase: hoe vertrouwd is uw team met ontwerp voor additive manufacturing? Het ontwerpen voor 3D-printing vereist extra kennis om de specifieke voordelen van geprinte onderdelen ten volle te benutten. Ontwerpers en ingenieurs die opgeleid zijn in ontwerpmethodes en montagevoorschriften voor conventionele fabricagemethoden, zullen zich moeten bijscholen. Additieve fabricage heeft veel van de traditionele beperkingen niet, en maakt het mogelijk dat ingenieurs uitsluitend onderdelen maken met de gewenste vorm, fit en functioneren in het achterhoofd. Als u niet beschikt over de middelen om 3D-printing volledig te begrijpen en ervoor te ontwerpen, kan outsourcing van een deel van de productie een manier zijn om risico’s te minimaliseren en te compenseren.

Training en gekwalificeerd personeel is namelijk al van belang in de ontwerpfase: hoe vertrouwd is uw team met ontwerp voor additive manufacturing? Het ontwerpen voor 3D-printing vereist extra kennis om de specifieke voordelen van geprinte onderdelen ten volle te benutten. Ontwerpers en ingenieurs die opgeleid zijn in ontwerpmethodes en montagevoorschriften voor conventionele fabricagemethoden, zullen zich moeten bijscholen. Additieve fabricage heeft veel van de traditionele beperkingen niet, en maakt het mogelijk dat ingenieurs uitsluitend onderdelen maken met de gewenste vorm, fit en functioneren in het achterhoofd. Als u niet beschikt over de middelen om 3D-printing volledig te begrijpen en ervoor te ontwerpen, kan outsourcing van een deel van de productie een manier zijn om risico’s te minimaliseren en te compenseren.

Serieproductie: toch maar een eigen printer aanschaffen?

Als u vaak volledige (functionele) stukken nodig hebt, kan een grotere, robuuste machine goed passen binnen uw bedrijf. Dit soort printers zijn een solide optie voor de productie van onderdelen in grotere aantallen onderdelen die uit hetzelfde materiaal opgebouwd worden. Deze machines vragen wel een significante investering: voor metaalprinters betaal je al snel 250.000 euro voor de kleinere systemen, tot een miljoen en meer voor een compleet serieproductiewaardig systeem. Om de investeringen te laten renderen, moet men dus al relatief zeker zijn van een bepaalde kwantiteit aan printbare stukken.

Voor dat bedrag krijgt u wel wat in de plaats. Een krachtige machine die hoge productiviteitscijfers kan voorleggen voor zowel serieproductie als eenmalige productie, dankzij de aanwezigheid van meerdere lasers in de machines. Bovendien bieden dergelijke machines vele mogelijkheden om met een uitgebreid softwarepakket individueel ingestelde procesparameters de productieprocessen naar wens te optimaliseren en materiaalontwikkelingen uit te voeren. Onder meer SLM Solutions (in de Benelux verkrijkbaar bij EKZO), Renishaw (Renishaw Benelux) en TRUMPF (V.A.C. Machines) bieden dergelijke machines aan en kunnen uistekende cijfers voorleggen.

De 6-cijferige prijskaartjes die aan dergelijk industriële 3D-printtechnologieën hangen, kunnen deze printers buiten het bereik van sommige KMO’s stellen. De markt evolueert echter snel. De meeste bedrijven, behalve de grootste fabrikanten, werden in het verleden geadviseerd om 3D-printen uit te besteden, in plaats van het binnenshuis te brengen. De snelle opkomst van de technologie en het lagere prijskaartje dat daarbij komt kijken, brengt daar aan sneltempo verandering in.

LMD-print

© VAC Machines /Trumpf

Vele prototypes maken een printer

Ook zijn het laatste jaar zijn heel wat goedkopere metaalprinters op de markt verschenen. Deze zogenaamde ‘desktop’ 3D-printers (vergis u niet, deze machines zijn nét iets groter dan een gemiddeld bureau), laten toe om met metaalprinten aan de slag te gaan voor een prijskaartje van om een bij de 100.000 euro. De volumes van de onderdelen die ermee kunnen geprint worden zijn echter wel beperkt (1 tot 5 dm³, met enkele uitschieters hier en daar). Dat maakt ze vooral geschikt voor kleinere onderdelen.

Zoals al eerder vermeld, een van de belangrijkste factoren om rekening mee te houden is uw toepassing van de technologie en daarmee de complexiteit en functie van uw onderdeel. Als u van plan bent om bijvoorbeeld schaalmodellen of functionele prototypes te produceren waarvoor meerdere ontwerpiteraties nodig zijn, kan het kosteneffectiever zijn om te kiezen voor een eigen AM-systeem. Dan kan dergelijke kleinere printer – of eventueel een niet-metaalprinter – een goede oplossing zijn. Tegen relatief lage kosten kunnen prototypes geproduceerd worden. Designers kunnen feedback ontvangen en ontwerpen snel aanpassen. Er zijn vele factoren die de introductie van nieuwe producten tijdens de levenscyclus van productontwikkeling kunnen vertragen – van de keuze van gereedschappen tot de tijd die wordt besteed aan het wachten op prototypes die van een externe leverancier komen. Voorkom dit probleem met een interne 3D-printer. Prototyping met 3D-printen helpt teams om met belanghebbenden te communiceren en resulteert uiteindelijk in betere eindproducten en effectievere productlanceringen, waardoor een bedrijf nieuwe innovaties kan introduceren om de markt voor te blijven op de concurrentie.

De desktop 3D-printers zijn ook geschikt als u snel onderdelen nodig hebt. Meerdere kleine printers geven meer flexibiliteit en geven tegelijkertijd toegang tot verschillende materialen.

Vaak is het namelijk zo dat poederbedprinters geconfigureerd worden om te werken met 1 bepaald materiaal. Het omschakelen naar een materiaal duurt al gauw een halve dag of meer. De hele machine moet intern namelijk grondig gereinig worden om eventuele contaminatie te voorkomen. Duurdere machines werken tegenwoordig wel met een cartridgesysteem, waarbij het omschakelen naar een ander type poeder sneller verloopt.

Materialen en nabehandeling

De metaalpoeders die gebruikt worden voor poederbedprinten zijn bijna exclusief vervaardigd door middel van atomisatie, een proces waarbij het metaal wordt gesmolten en verneveld in een gecontroleerde omgeving. De gesmolten metaaldeeltjes stollen in ronde vorm. De poederdeeltjes moeten idealiter perfect rond en niet-poreus zijn. Ook de diameter van de deeltjes is bijzonder belangrijk voor de kwaliteit van het eindproduct. Vooral bij poederbedsystemen zijn die eigenschappen essentieel, en moet de diameter precies gecontroleerd worden om de vloei-eigenschappen van het poeder niet nadelig te beïnvloeden: de poeders worden immers “uitgerold” over het bed. Ook kunnen dikkere of poreuze deeltjes het smeltproces – en dus de eindkwaliteit – sterk beïnvloeden. Poeders met diameters tussen 30 en 45 micron zijn nodig voor deze technologie. De prijs van deze poeders ligt daarom wel wat aan de hoge kant. Een kilogram titaniumpoeder is beschikbaar van zo’n 200 euro, maar dat kan, afhankelijk van de eigenschappen, oplopen tot meer dan 700 euro voor poeder dat gebruikt wordt in medische toepassingen.

Ook moet rekening gehouden worden met het feit dat de totale kosten voor het in-house uitvoeren van 3D-printing aanzienlijk hoger zijn dan de initiële investeringskosten die de aanschaf van een machine met zich meebrengen. De lopende kosten voor exploitatie en onderhoud kunnen snel oplopen. Naast de machinekosten hebben bedrijven ook grondstoffen nodig, speciale infrastructuur (ruimte, luchtfiltering en mogelijke afwerkingsstations) en bekwame operatoren om ze te bedienen. Om deze reden moet investeren in een industrieel systeem deel uitmaken van een AM-strategie op langere termijn om ervoor te zorgen dat eventuele initiële kosten worden beperkt door besparingen op lange termijn in productie- en uitbestedingskosten. Dit omvat het in rekening brengen van een budget voor onderhoud, aanvullende systemen en de aanschaf van materialen.

Tenslotte vraagt het printen met metaalpoeders vaak ook om gassen (stikstof of argon). Bij het printen moet in de printkamer van een SLM-printer altijd een inerte atmosfeer heersen. Als tijdens de fabricage van metalen producten in het printkamer een inerte atmosfeer heerst, kan hun oxidatie worden voorkomen. Een bedrijf als Air Liquide staat bekend als betrouwbare leverancier van gassen voor 3D-printen. Verder zijn er mogelijks oppervlaktebehandelingen en reiniging nodig. Afhankelijk van de gewenste of noodzakelijke afwerking, kan deze nabehandeling tweemaal meer tijd vragen dan het eigenlijke printen.

Extra: nabehandeling

Nabehandeling van geprinte stukken is eigenlijk al een topic op zich waard. In veel gevallen is de oppervlakteruwheid van geprinte stukken te laag. Vanzelfsprekend moet dat in rekening gebracht worden. Anderzijds zie je ook dat dit creatief kan worden aangepakt: stukken worden bijvoorbeeld al zo ontworpen dat nabehandelingsstappen geminimaliseerd worden. Of er wordt enkel verspaand op plaatsen waar dit echt nodig is. Daarnaast is er ook vaak een thermische nabehandeling van het materiaal nodig. In eerste instantie voor het wegwerken van spanningen, maar vaak ook voor verdichting. Wat dat laatste onderwerp betreft, wordt (zeker voor kritieke onderdelen) vaak Heet Isostatisch Persen (HIP) toegepast. Dat is een productieproces dat wordt gebruikt om interne porositeit in metalen stukken te elimineren. Het is een vorm van warmtebehandelen waarbij hoge druk wordt gebruikt om metaaleigenschappen te verbeteren. Deze druk wordt uitgeoefend door een inert gas, vaak argon. Door het stuk een periode in een afgesloten kamer op verhoogde temperatuur en druk te houden treedt kruip en diffusie op. De enige aanbieder in België is Bodycote in Sint-Niklaas. Het bedrijf kan een brede reeks aan componentenmaten verwerken die voldoen aan strenge normen met betrouwbare, herhaalbare resultaten.

Hybride aanpak voor een flexibele workflow?

Ook de schaalbaarheid van de productie van onderdelen moet een belangrijke overweging zijn, aangezien grootschalige productie van onderdelen vaak meerdere machines nodig heeft. Als uw bedrijf producten ontwerpt, ontwikkelt en produceert (van tekenbord naar productielijn), kan er echter een nood zijn om te investeren in verscheidene specifieke printtechnologieën. Het kan dan de moeite waard zijn om te investeren in machines voor zowel prototyping als productie-onderdelen. En andere optie kan zijn om voor een hybride oplossing te kiezen waarbij slechts een deel van de printcapaciteit wordt uitbesteedt.

Zelfs als een bedrijf 3D-printers in huis heeft, kan het uitbesteden van bepaalde printopdrachten opties openen voor het printen met verschillende materialen, processen en eigenschappen – allen aangepast aan de noden van het te printen stuk. Het combineren van beide benaderingen kan een bijzonder efficiënte manier zijn om de technologie te integreren.

Zo kunnen bedrijven bijvoorbeeld AM-systemen in huis hebben voor de productie van prototypes (of eindproducten), maar zich wenden tot servicebureaus voor grotere onderdelen, ongewone materialen, bepaalde afwerkingsniveaus of voor complexe eindonderdelen. Met deskundige teams en ingenieurs zijn servicebureaus goed op de hoogte van specifieke AM-ontwerpvereisten voor productieonderdelen. Bovendien zijn ze door hun hoge printcapaciteit goed in staat om grote batches van onderdelen te printen.

Conclusie

Welke optie u ook kiest, uw 3D-printproces moet op uw behoeften worden afgestemd. Met voldoende onderzoek is het mogelijk om de beste optie voor uw noden te vinden. Het kan interessant zijn geprinte voorbeelden van verschillende servicebureaus en 3D-printerfabrikanten op te vragen. Vergeet daarbij zeker niet om aan elk bedrijf meer informatie over het voorbeelddeel te geven, zoals hoe lang duurde het om het onderdeel te printen en hoeveel materiaal er werd gebruikt.

Wanneer er binnen de organisatie serieus aan de slag wordt gegaan met het veelvuldig printen van bepaalde stukken, kan een eigen investering de moeite lonen. Zeker als u snelle doorlooptijden en snelle iteraties nodig hebt, is een eigen additieve productiesysteem de investering waard. Zodra uw systeem op punt staat en u getraind personeel heeft, kunnen projectdeadlines gemakkelijker worden gehaald met “on-demand productie” en kunnen ontwerpen zo vaak als nodig is worden aangepast zonder de kosten en wachttijd die gepaard gaan met outsourcing.

Ook hier zijn verschillende opties mogelijk. Sommige printers kosten tot enkele miljoenen euro’s, andere zijn dan weer veel goedkoper. Elk type printer komt echter met voor- en nadelen: hoewel de aanschafkosten van ‘desktop’-metaalprinters relatief laag liggen, maken hun compacte grootte en beperkte mogelijkheden ze minder geschikt voor intensief gebruik, zeker als er een groot afdrukvolume vereist is.

Uiteraard: niet iedereen hoeft een printer te kopen – vaak is de eerste stap toch om het eigenlijke printwerk te gaan outsourcen. En dat kan zelfs zo blijven – voor kleinere hoeveelheden printwerk loont het meestal niet om een machine aan te kopen. Ook betekent outsourcing een bredere keuze aan 3D-printtechnologieën en -materialen. Dit betekent dat uw organisatie verschillende opties kan uitproberen zonder te hoeven investeren in meerdere systemen. Ten slotte bieden dergelijke aanbieders heel wat deskundigheid op het gebied van 3D-printing. Servicebureaus beschikken vanzelfsprekend over een hoog niveau van expertise en kunnen u adviseren over de meest geschikte materialen, ontwerpoverwegingen en dergelijke. Bovendien bieden veel bureaus ontwerp- en afwerkingsdiensten aan, die beide een belangrijke voorbereiding en nabewerking van gegevens vereisen.

De kosten van een extern 3D-geprint onderdeel liggen logischerwijs wel hoger dan de kosten van een in eigen beheer geproduceerd onderdeel. Bovendien kan het uitbesteden langzamer verlopen dan intern 3D-printen door eventuele vertragingen en levertijden. Uiteindelijk moeten de behoeften van uw organisatie en uw AM-strategie zorgvuldig worden afgewogen om de beste manier te vinden om 3D-printing te integreren in uw productieworkflows. Als onafhankelijke brancheorganisatie rond 3D-printen kan Flam3D u op weg helpen met dergelijke vraagstukken. Dankzij haar brede netwerk kan de organisatie u daarna steeds verder doorverwijzen naar de geschikte partij om uw 3D-vraagstuk verder uit te werken.