Renishaw Metal Printing

“3D-Metaalprinten” bestaat niet

Er bestaan heel wat technologieën die, vanuit een digitaal bestand, een product laag per laag opbouwen in metaal. En dat is zowat de consensus-definitie van 3D-(metaal-)printen of Additive Manufacturing (AM). Maar die term is eigenlijk te breed om het bestaande gamma aan processen te beschrijven, elk met hun eigen specifieke eigenschappen, voor -en nadelen, die momenteel al dan niet commercieel beschikbaar zijn. Bovendien kunnen we in veel gevallen eigenlijk beter spreken van “AM-systemen” dan van 3D-printers: het gaat meestal niet enkel om “een printer”, maar om een aaneenschakeling van processen waarvan het eigenlijke printen er één is.

Welke zijn die verschillende technologieën, waar zitten de verschillen en hoe kunnen we ze best toepassen? We lichten enkele zaken toe.

ASTM

Sinds 2012 bestaat er een ASTM-classificatie voor de verschillende AM-technologieën. Deze indeling hanteert zeven categorieën, waarvan er 4 van toepassing zijn voor metaalprint. Het gaat om volgende processen:

 

  • Powder Bed Fusion (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.
  • Bij Directed Energy Deposition (DED) wordt door een spuitstuk poeder of draad aangevoerd, die gesmolten wordt en gedeponeerd op een substraat of de vorige laag. Momenteel zijn er systemen beschikbaar waarbij de energie wordt geleverd door een laser, elektronenbundel of plasmatoorts.
  • Binder jetting: bij deze technologie wordt een vloeibaar bindmiddel op een oppervlak aangebracht met een systeem vergelijkbaar met inkjet. De meeste metalen stukken worden na dit proces nog gesinterd en eventueel geïnfiltreerd met een ander metaal om de porositeit te verminderen.
  • Sheet lamination: verschillende lagen metaalfolie worden met elkaar gebonden. In de enige ons bekende toepassing worden de lagen met elkaar verbonden door middel van ultrasoon lassen en hogedruk. “sheet lamination” wordt in vele overzichten zelfs niet vermeld – het wordt dan ook eerder zelden toegepast.

Meer over Powder Bed Fusion

Powder Bed Fusion is, met ruime voorsprong, de meest toegepaste technologie voor metaalprints – de verkoop van deze systemen zou wereldwijd zevenmaal hoger liggen dan die van de “opvolger”, de Directed Energy Deposition systemen.

 

Poederbedfusie wordt zelf verder ingedeeld volgens het proces; en de gehanteerd terminologie is soms verschillend per leverancier:

 

  1. Selective Laser Melting (SLM): Het poeder wordt door middel van een laser aan elkaar gesmolten.
  2. Direct Metal Laser Sintering (DMLS): ook hier gaat het om poeders die met een laser worden bestraald, in een kamer met inert gas. De naam suggereert dat het daarbij om een sinterproces gaat, maar in feit is het ook een smeltproces. Om deze reden werden ze samengevoegd in het overzicht hieronder.
  3. Electron Beam Melting (EBM): In deze technologie is de energiebron een elektronenbundel, en vindt het proces plaats in vacuüm (tegenwoordig met toevoeging van Helium).

Poeders

De metaalpoeders die gebruikt worden voor AM zijn exclusief vervaardigd door middel van “atomisation” – letterlijk “verneveling”- 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.

 

In de systemen waarbij het poeder “geblazen” wordt (DED), zijn de toleranties iets groter en kunnen, deeltjes tot 100 of zelfs 150 micron gebruikt worden.

Verder zijn er nog een paar buitenbeentjes, in verschillende stadia van ontwikkeling:

 

  • “MagnetoJetTM printing”, waarbij gesmolten metaal (voorlopig beperkt tot aluminium) door magnetische pulsen wordt geprojecteerd door een keramische spuitmond.
  • Er zijn filamenten op de markt die tot meer dan 85% brons-, koper- of messing-poeder bevatten en verder een plastic “drager”. Daardoor laten deze filamenten zich printen op een standaard FDM-machine.

Laser Cusing, Direct Metal Print, LENS, LBM, EBAM, …?

Er zijn nog heel wat benamingen in omloop, en het is niet altijd evident te achterhalen in welk vakje ze precies thuishoren. Meestal zijn het variaties op hetzelfde thema, en kunnen ze dus ook in onderstaand schema ondergebracht worden. Niettemin verschijnen er ook volledig nieuwe technologieën op de markt, en de tijd zal uitwijzen of de ASTM-indeling zal moeten uitgebreid worden.

Zonder de uitzondering Sheet Lamination zijn er dus 4 systemen die we met elkaar kunnen vergelijken. SLM, EBM, DED en Binder Jetting, maar we splitsen de Directed Energy Deposition technologie nog op in de poeder- en draad-gevoede systemen:

 

  1. SLM: Selective Laser Melting

Deze technologie blijft dus met voorsprong de nummer één op de markt; naar schatting staan er bijvoorbeeld een kleine 30 van deze machines opgesteld in België; vaak worden ze gebruikt voor dentale toepassingen. De technologie kan zeer complexe stukken bouwen, met relatief dunne wanden en complexe rasterstructuren. In vergelijking met EBM kan men “tijd winnen” doordat de afkoeling veel sneller kan verlopen, hoewel de bouwsnelheid op zich lager is.

 

Een nadeel is wellicht dat er belangrijke interne spanningen worden opgebouwd in het stuk. Mede daarom zijn relatief “zware” supporting structures nodig – om de warmte af te leiden en eventuele vervormingen tegen te gaan. Er is dus meestal een warmtebehandeling nodig na het printproces.

 

Doordat met vertrekt van een bouwplaat (in hetzelfde metaal als het poeder), moet men er ook rekening mee houden dat deze nadien weer moet verwijderd worden. Ook het verwijderen van de support structures (hoewel niet exclusief voor deze technologie) vraagt een extra nabewerkingsstap.

 

De race voor “de grootste” gaat voort – hoewel dat niet altijd een relevante maatstaf is. Momenteel zouden er 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 beschikbaar.

 

  1. Electron beam melting (EBM)

Bij Electron beam melting (EBM) wordt het poeder in het poederbed gesmolten door een elektronenbundel. In de commercieel beschikbare Arcam-printers bevindt het poederbed zich in een vacuümkamer (1 x 10-5 mbar), onder een temperatuur van ca. 700°C.

 

Daaruit volgen meteen twee belangrijke voordelen van de technologie: de continue hoge temperatuur resulteert in stukken zonder noemenswaardige residuele stress, en het vacuüm sluit gascontaminatie uit. Ook een gevolg van de hoge temperatuur is het feit dat er minder support structures nodig zijn om de in het proces geïnduceerde warmte af te leiden. Maar daaruit volgt meteen ook een mogelijk nadeel: het poeder in het poederbed is al gesinterd, en daarom moeilijker te verwijderen uit bv. nauwe kanalen.

 

De nauwkeurigheid is iets minder dan die van de poederbed-systemen, maar de bouwsnelheid is aanzienlijk hoger. Maximale bouwafmetingen zijn 200x200x380 mm of Ø350×380 mm en de beschikbare poeders zijn momenteel Titanium Grade2, Ti-6Al-4V, CoCr en Inconel 718.

 

  1. Directed Energy Deposition – DED (poeder)

Zoals gezegd wordt bij deze technologie het poeder aangeleverd via een spuitstuk, onder een beschermgas. Dat betekent dat het poeder op het substraat “geblazen” wordt, meestal buiten een kamer en 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 dus poederdepositie plaatsvinden op onregelmatige oppervlaktes. Daardoor kan het ook ingezet worden om bestaande stukken te herstellen (of “her-opbouwen”): zogenaamde “cladding”. De bouwsnelheid van DED is aanzienlijk sneller dan bij de poederbed-systemen.

 

Om de voordelen van additieve en “subtractieve” systemen te combineren, gebruiken de meeste hybride systemen DED als technologie. Zo kunnen bijvoorbeeld turbinebladen direct geprint en nabewerkt worden op de as.

 

Een ander voordeel van DED is de mogelijkheid om de poedersamenstelling in real-time te laten variëren doorheen het stuk; tegelijk zijn de toleranties van het gebruikte poeder breder dan bij poederbed-technologieën, wat resulteert in goedkopere grondstof.

 

We kunnen hier nog opmerken dat het aantal DED-installaties vrij beperkt is en dit printwerk nog vaker wordt geoutsourcet naar gespecialiseerde bedrijven.

 

  1. Directed Energy Deposition – draad

In dit proces, ook vaak “Laser Metal Deposition-wire” (LMDw) genoemd, wordt een metaaldraad gevoed door een spuitstuk en gesmolten met een laser onder beschermgas; in principe kan dit proces in een “open” omgeving plaatsvinden (onder beschermgas), of 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; zeker waar aansluiting gemaakt moet worden met andere stukken is dus nabewerking nodig. Er is aangetoond dat de metallurgische eigenschappen van het proces behoorlijk onder controle zijn en vergelijkbaar met traditioneel laswerk.

 

Relatief nieuw op de markt is Rapid Plasma Deposition™, een DED-technologie waarbij titaniumdraad wordt gesmolten doormiddel van een plasmatoorts.

 

  1. Binder Jetting

Het woord zegt het al: bij Binder jetting wordt een binder gespoten op het (in een poederbed uitgerolde) metaalpoeder. Wat uit de machine komt, is dus een combinatie van lijm en poeder, een technologie die met heel wat voordelen komt (zoals snelheid en bouwgrootte), maar meteen ook aangeeft dat de nabehandeling essentieel is voor structurele onderdelen: een warmtebehandeling om de binder uit te branden, eventuele infiltratie met andere materialen. Om een hogere densiteit te bereiken is een verdichtingsproces nodig (zoals bijvoorbeeld Hot Isostatic Pressing).

 

Voorstanders van de technologie halen aan dat ook bij de andere processen vaak nog gelijkaardige warmtebehandelingen nodig zijn.

 

Essentieel is dat bij Binder Jetting het poeder niet gesmolten wordt tijdens het bouwproces; dat resulteert in een hogere productiesnelheid, en hoge resolutie en afwerking. Dunne wanden en fijne kanaaltjes zijn geen probleem: het ongebruikte poeder is niet gesinterd en laat zich dus gemakkelijk verwijderen. De dimensionele nauwkeurigheid varieert van ca. 0.13 mm tot 1.3 mm, afhankelijk van de grootte van het component. Afmetingen tot 800 x 500 x 400 mm zijn mogelijk.

En in vergelijking met andere metaalverwerkingssystemen?

Over het algemeen kunnen we stellen dat geprinte stukken, uiteraard afhankelijk van proces en type metaal, gelijkaardige en soms zelfs betere kwaliteiten hebben dan gegoten materialen – zowel wat betreft treksterkte, elasticiteitsmodulus, breukrek en hardheid. Om de mechanische eigenschappen te optimaliseren is meestal wel een warmtebehandeling aangewezen; door specifieke behandelingen kunnen interne spanningen en porositeit worden weggewerkt. Nabewerking en gegarandeerde materiaalconsistentie zijn punten waar in sneltempo aan gewerkt wordt; het is echter belangrijk voor ogen te houden dat Additive Manufacturing ontegensprekelijk merites heeft voor specifieke toepassingen. Omgekeerd ligt de tijd dat men claimde dat AM alles zou vervangen, gelukkig al even achter ons.

Conclusies

We hebben de voor -en nadelen van de verschillende technologieën proberen weergeven in onderstaand schema. Het spreekt voor zich dat het “aantal” voor -en nadelen niets zegt over de verdienste van de technologie in kwestie – die verdienste wordt grotendeels bepaald door de eigenlijke ontwerpparameters van de stukken die men wil gaan printen. Het is belangrijk zich uitgebreid te laten adviseren bij het maken van keuzes. Meer info over het keuzeproces dat bij het aanschaffen van een metaalprinter komt kijken vind je in ons artikel hierover.

Inzet: een vergelijking tussen SLM, powder-fed DED en EBM

 SLMDED (poeder)EBM
MaterialenBeperkter aanbodZeer grote diversiteit aan materialenBeperkter aanbod
AfmetingenBeperkt door de afmetingen van de proceskamerBeperkt door de afmetingen van de opstellingBeperkt door de afmetingen van de proceskamer
Complexiteit van het stukQuasi ongelimiteerd, maar overal support structures nodigBeperkterQuasi ongelimiteerd, maar minder support structures nodig
Dimensionele nauwkeurigheid≥ 0.1 mm≥ 0.1 mm≥ 0.2 mm
Depositiesnelheid1– 3 mm3/s3 – 10 mm3/s> 20 mm³/s
Opbouw mogelijk op:Vlakke oppervlakken/  bouwplaten3D-oppervlak, of op bestaande stukkenVlakke oppervlakken/  bouwplaten
Ruwheid Rz25-50 μm60-100 μm25-40 µm
Laagdikte≥ 0.02 - 0.1 mm≥ 0.03 - 1 mm0.01 – 0.5 mm

Bron: Fraunhofer, Sirris. Merk op dat de processen snel evolueren en bepaalde gegevens al achterhaald kunnen zijn op het moment van publicatie.