WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)

3D “lassen” met draad of poeder

Iedereen kent intussen wel de ‘standaard’ vorm van 3D-metaalprinten door gebruik te maken van poederbedfusie. 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. Er zijn echter verschillende andere interessante metaal 3D-printmethodes, elk met hun eigen mogelijkheden en beperkingen. Onder het motto “kennis is competitiviteit”, belichten we een andere vorm die dichter bij lassen staat: Directed Energy Deposition.

Momenteel is poederbedtechnologie veruit de meest toegepaste technologie als het om metaalprinten gaat. De technologie leent zich uitermate voor het additief produceren van relatief kleine 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 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). Het proces is eenvoudig uit te leggen: gerichte energie wordt gebruikt om materialen samen te smelten zodra ze worden toegevoegd.

Door een spuitstuk wordt materiaal (poeder of draad) aangevoerd, dat vervolgens door een warmtebron (vaak een laser) gesmolten en gedeponeerd wordt op een substraat of de vorige laag, waardoor structuren op bestaande basisonderdelen of complete componenten opgebouwd worden.

Er zijn enkele varianten van deze technologie beschikbaar die verdeeld kunnen worden in een viertal groepen, afhankelijk van welke energiebron gebruikt wordt. Naast een laser kan er ook gebruik gemaakt worden van een elektronenbundel, een plasmatoorts of een lasbron voor elektrisch booglassen. We bekijken enkele varianten even van naderbij:

Directed Energy Deposition met laser en poeder: LMD

Bij Laser Metal Deposition (LMD) wordt poeder aangeleverd via een spuitstuk, onder een beschermgas. Dat betekent dat het poeder op het substraat “geblazen” wordt, meestal buiten een kamer. Dat zorgt meteen voor het grootste voordeel van deze technologie: een quasi onbeperkt bouwvolume. Omdat men onafhankelijk van een poederbed werkt, kan men substraat en nozzle positioneren ten opzichte van elkaar en er kan ook poederdepositie plaatsvinden op onregelmatige oppervlaktes (en daardoor ook op reeds bestaande stukken). Het proces wordt daarom vaak ingezet om bestaande stukken te coaten of zelfs te herstellen: het zogenaamde “laser cladding”.

Een ander voordeel van het gebruik van poeder is de mogelijkheid om de poedersamenstelling in real-time te laten variëren doorheen het stuk. De toleranties van het gebruikte poeder zijn bovendien breder dan bij de poederbedtechnologieën, wat resulteert in goedkopere grondstof.

LMD-print
Directed Energy Deposition met laser en draad: LMDw

In dit proces, dat Laser Metal Deposition-wire (LMDw) of laseraanvoerlassen genoemd, wordt het poeder als materiaal vervangen door een metaaldraad. Die wordt gevoed door een spuitstuk en gesmolten met een laser onder beschermgas. In die zin is de techniek eigenlijk best goed vergelijkbaar met de relatief bekende FDM-printtechniek die gebruikt wordt voor het goedkoop printen van kunststoffen. Wanneer deze kunststofprinters een product in 3D opbouwen doen ze dit door filament (een kunststofdraad) op de juiste plaats af te smelten, en deze laag voor laag op elkaar te deponeren. Met laser kan je in feite hetzelfde principe toepassen voor een metaaldraad. Het proces kan zowel in een “open” omgeving plaatsvinden (onder beschermgas),  als in een afgesloten kamer. Net zoals bij poeder-gebaseerde LMD, is het grote potentieel hier het feit dat men bijzonder grote opstellingen kan bouwen. Bovendien is het een zeer snel proces, waarbij tot meer dan 9 kg/uur kan worden gedeponeerd.

Een belangrijk (mogelijk) nadeel van dit proces is de oppervlakteruwheid; de stukken die met LMDw worden vervaardigd zien eruit als een opgelast stuk (met verschillende op elkaar gestapelde lasrupsen), waardoor nabewerking vaak nodig is. Om de voordelen van additieve en “subtractieve” systemen te combineren, gebruiken de meeste hybridesystemen DED als technologie. Zo kunnen de geprinte stukken direct geprint en nabewerkt worden op de as. Er is wel reeds aangetoond dat de metallurgische eigenschappen van het proces behoorlijk onder controle zijn, en vergelijkbaar zijn met traditioneel laswerk.

Directed Energy Deposition met plasmaboog en draad: RPD

Relatief nieuw op de markt is Rapid Plasma Deposition™ (RPD), een vooralsnog beschermde Noorse uitvinding die vooral ingang vindt in de commerciële luchtvaartindustrie. Het is een DED-technologie waarbij titaniumdraad wordt gesmolten doormiddel van een plasmaboog. De techniek is in die zin vergelijkbaar met plasmalassen. Vooralsnog zijn er echter geen andere materialen beschikbaar en blijft het een relatief duur proces, waar in de toekomst echter veel van verwacht wordt.

Directed Energy Deposition met een elektrische lasboog en draad: WAAM

Een speciale vorm van DED waarbij gebruik wordt gemaakt van een elektrische lasboog als warmtebron en een metaaldraad als materiaaltoevoer staat bekend als Wire Arc Additive Manufacturing (kortweg WAAM). Het is een vorm van 3D-printen voor metalen onderdelen die de laatste tijd steeds meer aan belang wint.

De technologie is te vergelijken met bovenstaande LMDw, maar heeft een belangrijk voordeel: er wordt gebruik gemaakt van een standaard lasrobot met lasdraad. In principe kan WAAM-technologie daarom door ieder bedrijf met een industriële lasrobot worden toegepast: er is verder geen speciale apparatuur vereist. Louter de benodigde sensoriek en software om de robot te besturen en het proces optimaal te laten verlopen behoeven aandacht.

Dat maakt het een ideale toepassing voor bedrijven die deze technologie reeds in huis hebben. Het gewenste object wordt namelijk ‘geprint’ door het (met behulp van de lasrobot) op elkaar stapelen van lasrupsen. Alle materialen die middels MIG/MAG te lassen zijn kunnen op deze manier worden opgebouwd.

Dezelfde neersmeltsnelheid die voor het leggen van een las wordt toegepast, kan ook bij het WAAM-proces worden gebruikt. Lasrobots kunnen vaak meerdere kilo’s materiaal (lasdraad) per uur lassen, dat bovendien goedkoper is dan poeder voor poederbedprocessen. Hiermee is WAAM, net zoals andere DED-varianten, zeer snel. Ook de maximale afmetingen van de op te bouwen producten zijn enkel beperkt door het werkbereik van de lasrobot – eventueel zelfs gemonteerd op een rail. Via WAAM kunnen bijgevolg grote producten worden opgebouwd, op een kostenefficiënte en snelle manier.

Er zijn echter wel nog enkele hinderpalen: Hoewel het principe van WAAM al sinds lange tijd wordt toegepast, bestaat er desondanks nog maar weinig onderzoek naar welke materiaaleigenschappen behaald kunnen worden met bepaalde parameters. Ook de warmtehuishouding die tijdens de productie die de uiteindelijke mechanische eigenschappen behoeft de nodige aandacht. Aangezien de technologie anderzijds relatief eenvoudig kan worden toegepast, is dit echter geen aangelegenheid die louter aandacht krijgt in onderzoekslaboratoria van universiteiten. Ook de industrie is intensief bezig met het verder ontwikkelen van procesparameters en -optimalisaties.

Een onderdeel is na het WAAM-proces meestal nog niet gereed om gebruikt te worden. Het opgebouwde product zit meestal vol met restspanningen. Daarom is vrijwel altijd een warmtebehandeling nodig om deze lasspanningen weer uit het product te verwijderen. Ook moeten eventuele draagstructuren vaak nog worden verwijderd, en ten slotte de oppervlakteruwheid is vrij hoog: die is goed vergelijkbaar met die van een gewone las. Het WAAM-proces zal daarom veelal gecombineerd moeten worden met verspaning.

3D-geprint stuk middels WAAM-technologie
Conclusie

Op dit moment kunnen we best wel stellen dat poederbedprocessen (SLM en EBM) in het metaalprinten als de standaard worden beschouwd. Door de mogelijkheden om grote afmetingen en aan hoge snelheden te produceren, is DED echter een aantrekkelijke en aanvullende technologie. Vergeleken met de poederbed-processen liggen de opbouwsnelheden en hierdoor ook het procestempo hoog. De oppervlakteruwheid is echter wel een pak hoger  en daarom zal het oppervlak bij veel toepassingen moeten worden nabewerkt. Er bestaan verschillende varianten: elk type energiebron heeft zijn voor- en nadelen qua efficiëntie, energieverbruik, oppervlakteruwheid, gebruik van materiaalsoort en de uiteindelijke mechanische eigenschappen van het finale product.

De technologie leent zich uitstekend voor het printen van grotere onderdelen voor offshore, maritieme toepassingen en lucht- en ruimtevaart: in combinatie met de specifieke sterkte en stijfheid van metaal kan de technologie een alternatief zijn voor CNC-frezen, gieten of vonkverspanen van (grotere) producten waarmee direct een gewichtsbesparing en afvalvermindering van dure grondstoffen wordt gerealiseerd.

Ook kan DED een vervanger zijn voor gieten van enkelstuks zoals prototypes of zelfs kleine serieproductie; want net zoals andere 3D-printmethodes kan DED ook andere toegevoegde waarde genereren, denk maar aan interne koelkanalen in matrijzen, of een reductie van de assemblage van complexe producten die op conventionele wijze eerder uit meerdere componenten opgebouwd zijn. Bovendien kan de techniek ook gebruikt worden voor coating en reparatie van reeds bestaande stukken, en voor voegprocessen zoals het overbruggen van spleten.

Kortom: als bepaalde stukken aan voorgaande parameters voldoen, is er potentiëel om ze efficienter te produceren, of zelfs geoptimaliseerd te herontwerpen waardoor men uiteindelijk een beter product bekomt aan een goedkopere prijs. Dit geeft bedrijven die de technologie gebruiken een competitief voordeel, dus het loont zeker de moeite alle opties eens van naderbij te bekijken. Welke stukken exact in aanmerking komen om te printen is desalniettemin vaak al een ingewikkeld vraagstuk op zich, dat moeilijk samen te vatten valt in een enkel artikel. Flam3D kan als onafhankelijk non-profit netwerkplatform echter doorverwijzen naar de juiste partners om dit samen te evalueren.