3D printen met staal – Een verhaal

In het project INSIDE Metal AM, hebben Flam3D-leden BIL en CRM en Sirris de technische en economische haalbaarheid van 3D-printen met staal onderzocht. Dit is een kortverhaal over de demonstratiestukken die werden ontwikkeld.

3D printen hoeft niet altijd gepaard te gaan met exotische materialen of toepassingen. In het INSIDE Metal AM project, namen ze het materiaal onder de loep dat met voorsprong het meest gebruikt wordt in de (maak-)industrie: staal. Terechte bedenking: “Er bestaan toch veel soorten staal?”. Dat klopt, al is de keuze voor 3D printen op vandaag nog eerder beperkt. In dit geval gaat het om 17-4PH, duplex en H11 staal, maar dit artikel gaat niet in op de materiaalkeuze – hier gaat het over wat mogelijk is met een gekozen staalsoort.

Het voorbeeld van de gegeneraliseerde rotor

Dit eerste voorbeeld is een demonstratiestuk dat werd uitgetekend door de projectpartners zelf. Als voorbeeld ter illustratie, wilden ze een onderdeel maken dat complex genoeg was om het interessant te maken voor 3D printen, maar anderzijds ook printbaar was met twee verschillende technologieën: Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) en Laser Metal Deposition (LMD). Uit een aantal kandidaten werd uiteindelijk gekozen voor wat ze een ‘gegeneraliseerde rotor’ gaan noemen zijn. De naam “rotor” is echter slechts een keuze: het kan ook een pompschroef zijn, een tandwiel, of iets anders.

De rotor, geprint met 17-4PH staal, heeft een totale hoogte van 255mm, en een diagonaal van 100mm onderaan en 80mm bovenaan. De binnenkant van de rotor is niet vol, maar bestaat uit een roosterstructuur. Deze structuur is gradueel opgebouwd: compacter onderaan, meer open bovenaan. Dit laat toe een ongelijke krachtverdeling langsheen de rotor efficiënt op te vangen. Een belangrijk voordeel van deze rotor is een belangrijke reductie in gewicht. Dit kan belangrijk zijn voor een snelle acceleratie of vertraging, toepassingen in transport of toestellen die door personeel gedragen of verplaatst moeten worden.

De rotor leerde hun dat printen met de LMD-technologie wat extra beperking oplegt aan de geometrie, en dit in termen van maximale hellingshoek van wanden, het gebruik van ‘supports’, etc. Bovendien is een zorgvuldige keuze van de printstrategie van groot belang voor het vermijden van zogenaamde “hotspots”. Uit het printen met L-PBF leerden ze dat de ontwikkeling van restspanningen in 17-4PH staal gemakkelijk onderschat worden en dat het op voorhand uitvoeren van processimulaties een slimme keuze is. Tijdens de fase van topologieoptimalisatie werd, zoals verwacht, duidelijk aangetoond dat de keuze van de grenswaarden van zeer groot belang is.

Uiteindelijk hebben ze dankzij de demonstratiestukken een mooi verhaal opgebouwd en veel lessen geleerd. Lessen die ze graag met de lezers delen en toepassen op nieuwe ideeën.

Rotor geproduceerd via LMD. Links: tijdens productie bij CRM. Rechts: na tribo-finishing.

Rotor met interne rooster structuur, geproduceerd via L-PBF

Aluminium extrusiematrijs

De industriële adviesraad van het INSIDE Metal AM project volgde het project van nabij op en stelde een aantal interessante cases voor. Eén zo’n case kwam van aluminium extrusiebedrijf E-Max in Dilsen-Stokkem. In een matrijs met 4 holtes (voor het simultaan extruderen van 4 profielen), faalt typisch slechts één van de extrusiekanalen (holtes). Wanneer dit gebeurt, dient de volledige matrijs vervangen te worden. Als daarentegen 3D geprinte en vervangbare inzetstukken gebruikt zouden worden, heeft dit een groot potentieel om de stilstandtijd te verminderen en de matrijs te hergebruiken. Er werd beslist om eerst de performantie van het 3D geprinte materiaal te testen, in dit geval H11 staal, door middel van een eenvoudig proefmonster. Dit H11 staal vereist het gebruik van specifieke printers die het poederbed kunnen voorverwarmen tot 500°C.

Met dank aan VAC machines in Brugge, werd de firma Trumpf bereid gevonden om een ring te printen die bij E-Max werd ingebouwd in een matrijs voor het extruderen van aluminium buizen. De ring heeft een uitwendige diameter van 78 mm en een hoogte van 10 mm. De 3D-geprinte ring bleek een goede hardheid, voldoende fijne microstructuur en minimale porositeit te hebben. De ring toonde een uitstekende performantie in een eerste productieserie van 250 kg, en wordt op dit moment nog steeds ingezet in de productie. Helaas bleken de nauwe toleranties die geëist worden voor een extrusiekanaal (voorlopig) een onoverkomelijk obstakel. Verdere studie voor het printen van vervangbare inzetstukken werd daarom niet ondernomen. De uitstekende performantie van de ring opende echter een nieuw pad voor innovatie: het printen van conforme koelkanalen in de matrijs kan mogelijk de processtabiliteit verbeteren bij het extruderen van gerecycleerd aluminium. Een dergelijk toepassing van 3D printen werd binnen deze industrietak nog niet eerder overwogen.

Zo zie je maar: innovatie volgt niet steeds een vooraf uitgetekend traject en creativiteit vormt de sleutel tot succes. Dit demonstratie voorbeeld, hoewel het niet geleid heeft tot een realisatie van het initiële idee, heeft geleid tot drie belangrijke uitkomsten: (1) kennisopbouw rond het 3D printen en de performantie van H11 staal, (2) het idee van kostenreductie door gebruik te maken van inzetstukken werd ontwikkeld en blijft overeind, zij het echter met behulp van conventionele productietechnieken, en (3) het gebruik van conforme koeling als een nieuw innovatief idee voor aluminium extrusie (met een vleugje duurzaamheid).

Links: Aluminium extrusiematrijs met 4 holten. Rechts: schets van het gebruik van inzetstukken

Vervanging van een verouderd, gegoten onderdeel

Samen met de onderzoekspartners en ENGIE Laborelec, werden ook enkele interessante toepassingen voor Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM) besproken. Verouderde onderdelen of gereedschappen, waarvoor geen vervangstukken meer bestaan, vormen een interessante case voor het toepassen van 3D printen. Als voorbeeld hiervan werd een groot pomponderdeel als toepassing uitgekozen. Een kleinere versie van het originele gegoten duplex stalen onderdeel (1.6 x 0.8 m) zal vervaardigd worden met de LMD/WAAM robot bij CRM. Het selecteren van de draadsamenstelling, de correcte WAAM printstrategie, etc. werden eerst gevalideerd op kleinere teststukken. De hellingshoek van wanden, hotspots tijdens het printen en moeilijkheden met het genereren van de printpaden werden allemaal geïdentificeerd als mogelijke risico’s bij deze aanpak. De ontwikkelingen gerelateerd aan het realiseren van dit demonstratiestuk zijn momenteel in uitvoering, met als doelstelling om het demonstratiestuk klaar te hebben tegen eind januari voor verdere analyse (onderzoek van de vervormingen, metallografie, etc.).

Dit project werd mogelijk gemaakt met de steun van Vlaio en het Strategisch Initiatief Materialen (SIM).