Metalen onderdelen printen

… En is het nu zinvol om dit onderdeel te 3D-printen?  

Iedereen heeft ondertussen wel iets gelezen of gehoord over 3D-printen in metaal. Dat de technologie haar impact zal hebben, staat nu ook wel vast: volgens verschillende recente onderzoeken zou 3D-printing tegen 2060 kunnen instaan voor maar liefst een kwart tot zelfs de helft van de totale productie. Hoewel sommige rapporten misschien iets te hard van stapel lopen, valt niet te ontkennen dat er nog veel groei in het marktpotentieel van metaalprinten zit aan te komen. Als leek blijft het echter niet eenvoudig om uit te maken wat de technologie precies kan betekenen voor bedrijven in de metaalverwerking. Voor welke stukken is het zinvol om 3D-printing te overwegen? Wanneer wordt het competitief? We bekijken enkele parameters om de knopen te helpen doorhakken.

Parameter 1: waarvoor moet het dienen?

De functie van het te printen stuk is vaak al een belangrijke parameter op zich – in die zin dat 3D-printing een aantal pertinente voordelen kan bieden voor sommige toepassingen.

 

Zo is er bijvoorbeeld de potentiële gewichtsreductie: 3D-printing stelt de producent in staat materiaal aan te brengen op de plaatsen waar dat nodig is – en enkel daar. In tegenstelling tot productiemethodes waar er materiaal moet worden weggenomen, resulteert dat in een goedkoper stuk. Logisch dus dat luchtvaart- en automobielindustrie de laatste jaren aanzienlijk geïnvesteerd hebben in metaalprint, aangezien in die sectoren het gewicht een belangrijke factor is in de totale kostprijs (over de levensduur) van een stuk.  Daarnaast heeft gewicht ook een belangrijke impact op trilling en inertie – waardoor het ook in andere bewegende toepassingen een doorslaggevend voordeel kan bieden.

 

Niet enkel op het vlak van gewicht, maar ook op vlak van koeling- en stromingsoptimalisatie biedt 3D-printing mogelijkheden: men kan immers interne kanalen voorzien, alweer zonder extra handelingen of bijkomende productiekost. Het is zelfs zo dat je kan stellen dat naarmate de complexiteit (zie verder) van een stuk toeneemt, additieve productie wellicht de economisch interessantere keuze is. Functie-integratie is dus ook mogelijk – wat meteen wil zeggen dat additieve productie eventueel heel wat kosten kan besparen bij de assemblage van onderdelen.

 

Kortom: voor elk onderdeel waar de vorm de functie moet volgen, biedt 3D-printing vaak een ideale oplossing.

Extra: ontwerp & nabehandeling

 

3D-printing is eigenlijk één stap in een productieketen die op zich ook relatief nieuw is – en in volle opbouw. Vooral (her-)design en nabewerking zijn aspecten die in rekening gebracht moeten worden.

 

Vaak is het zo dat men een stuk volledig dient te herontwerpen om ten volle te kunnen profiteren van de potentiële voordelen van 3D-printing. Men kan stukken totaal herontwerpen volgens de functie van het stuk – waarbij die functie quasi de enige beperking is. Toch houdt men ook in de ontwerpfase best al rekening met de mogelijkheden en beperkingen van de printer waarop het onderdeel geprint zal worden.

 

Om de mechanische eigenschappen van geprinte stukken te optimaliseren is meestal wel een nabehandeling aangewezen; hier kunnen interne spanningen en porositeit worden weggewerkt. Ook kan het gaan om oppervlaktebehandelingen. De laatste jaren werd er qua nabewerking en materiaaleigenschappen stevig vooruitgang geboekt. Als gevolg daarvan hebben geprinte stukken (uiteraard afhankelijk van proces en het gebruikte metaal) tegenwoordig gelijkaardige en soms zelfs betere kwaliteiten hebben dan gegoten materialen – zowel wat betreft treksterkte, elasticiteitsmodulus, breukrek en hardheid.

Parameter 2: size does matter

De onderdelen die het meest geschikt zijn voor 3D-printen zijn vaak relatief kleine onderdelen: de ideale grootte situeert zich tussen een muntstuk en een basketbal, hoewel grotere of kleinere onderdelen printen ook mogelijk is.

 

Vaak hangt de maximale grootte van het te printen stuk gewoon af van het “bouwvolume” van de poederbed-gebaseerde metaalprinters: die komen met een volume van ongeveer 1.000 cm³ (10³) tot ongeveer 27.000 cm³ (30³). Voorlopig zijn ze nog zeldzaam, maar ondertussen zijn er ook printers gebouwd met een bouwvolume tot 2 x 0,5 x 0,5 meter.

 

De poederbed-technologieën zijn dus gebonden aan een min of meer beperkt volume. Andere (zoals Wire Arc Additive Manufacturing of Laser Cladding) zijn echter niet gebonden aan een bepaald volume, maar een bijkomende parameter is hier vaak de oppervlakteruwheid: beide technologieën zullen meer nabewerking vereisen in dit opzicht. Anderzijds hebben ze beide dan weer een aanzienlijk hogere productiesnelheid.

 

We verwijzen voor meer informatie graag naar ons artikel over de verschillende metaalprint-technologieën, en hun voor- en nadelen.

Parameter 3: … maar complexity doesn’t

De voorzet was al gegeven: voor complexe onderdelen maakt het volume van het onderdeel weinig verschil. Ingewikkelde structuren vormen voor een printer namelijk veel minder een probleem in vergelijking met de traditionele fabricagemethodes. 3D-printen is bijgevolg een ideale methode voor onderdelen die op maat gemaakt dienen te worden, of onderdelen met geometrieën die anders moeilijk te fabriceren zouden zijn.

Parameter 4: … En dat brengt ons bij de hoeveelheden

Nochtans kan productie met 3D-printen zelfs bij eenvoudige onderdelen in kleine volumes een interessante optie zijn. De techniek is in het bijzonder geschikt voor eenmalige of kleine productieruns, waardoor onderdelen snel en op aanvraag tegen relatief lage kosten kunnen worden geproduceerd. Bovendien evolueert er nog heel wat in de technologie: 3D-printing was 20 jaar geleden quasi exclusief inzetbaar was voor prototypes (vandaar ook de benaming “Rapid Prototyping”). Nu spreekt men echter – voor sommige toepassingen – al van productiehoeveelheden tot meer dan 10.000 stuks. En er wordt een nieuwe generatie van machines aangekondigd die de productiesnelheid weer aanzienlijk opvoert en de kosten verder beperkt.

 

Aangezien 3D-printers bij een productieaanpassing geen setup- en toolingwijzigingen vereisen, is de techniek eveneens behulpzaam in productieomgevingen waar veel verschillende soorten onderdelen gemaakt dienen te worden of waar productielijnen vaak variëren.  Zeker in industrieën waar productiecycli kort zijn of waar vaak met variabele productiesnelheden en productievolumes gewerkt wordt, kan 3D-printen de ideale oplossing zijn.

Conclusies

 Het spreekt voor zich dat deze parameters geen ‘absolute’ antwoorden bieden, en dat ze daarnaast ook vaak onderling afhankelijk zijn. Bovendien zijn ze ook nog eens afhankelijk van de gebruikte technologie – voor de kenners: SLM, DED, WAAM, Direct Metal Deposition/Laser Cladding,… hebben elk hun eigen voor -en nadelen, wat ervoor zorgt dat de parameters deels relatief zijn.

 

Heel wat bedrijven en sommige onderzoeksinstellingen bieden hun expertise aan om voor bedrijven op zoek te gaan naar onderdelen of producten die beter, eenvoudiger, sneller en/of goedkoper kunnen worden geproduceerd aan de hand van AM. Wanneer de prototype- en/of productieonderdelen die geschikt zijn voor 3D-printen geïdentificeerd zijn, zijn er nog steeds verschillende opties: koopt u een 3D-printer of bestelt u onderdelen via een servicebureau? Budget is natuurlijk een factor, maar hoe zit het met het type systeem dat u nodig heeft? Wat met de materialen? Zal er training nodig zijn? Elke route heeft zijn unieke voordelen en kan bepaalde doelstellingen en bedrijfsmodellen beter bedienen. Die volgende stap richting productie met 3D-printing heeft uiteraard ook nood aan een diepgaande analyse.

 

Desondanks kan je aannemen dat 3D-printing een valabele – en dus concurrentiële – productiekeuze is bij stukken die relatief goed scoren op enkele parameters. Bij hoge scores op meerdere parameters kan men ervan uitgaan dat de technologie een beduidend voordeel kan opleveren. Het loont in elk geval de moeite om het te onderzoeken.

 

Samengevat kunnen we stellen dat een onderdeel meer kans maakt om in aanmerking te komen voor 3D-metaalprint als het:

 

  • een specifieke functie moet vervullen: hetzij extra licht, complex, er moeten functies geïntegreerd worden, er zijn interne kanalen nodig, enzovoort… ;
  • aan bepaalde afmetingen beantwoordt – in de meeste gevallen betekent dat “niet te groot”;
  • meer complex is;
  • in een relatief beperkt aantal moet geproduceerd worden en/of;
  • in relatief grote aantallen moet gemaakt worden waarbij elk stuk net iets verschilt (“mass customization”).