Printen met metaal – op grote schaal

3D-printen heeft zich vanaf het produceren van kleine prototypes van kunststof sterk ontwikkeld. De keuze aan geschikte materialen en toepassingen voor additive manufacturing neemt continu toe en op dit moment vinden de interessantste ontwikkelingen plaats in het printen van grote objecten van metaal.

De afgelopen jaren heeft de Wire Arc Additive Manufacturing-technologie, of WAAM, enorme vooruitgang geboekt in het haalbaar maken van het printen van metaal voor meerdere toepassingen. Bij WAAM lassen computergestuurde machines lagen van metaal aan elkaar om zo een groter object te creëren.

Het moge duidelijk zijn dat lassen met robots al lange tijd bestaat, dus waarom is WAAM de laatste tijd dan zo'n veelbesproken onderwerp? De belangrijkste reden is dat de technische en programmeertechnologieën nu tot volle ontwikkeling zijn gekomen en complexe objecten kostenefficiënt kunnen worden geprogrammeerd en geprint.

Opkomende starters hebben nu meer mogelijkheden en dit leidt tot lagere prijzen, omdat nieuwe concurrenten de markt betreden. Een mooi voorbeeld van innovatie in additive manufacturing is de start-up in raketten, Relativity Space. Hoewel een ruimtevaartuig traditiegetrouw ongeveer 100.000 verschillende onderdelen bevat, heeft Relativity Space dit met behulp van 3D-printen tot 1.000 teruggebracht.

Volgens het bedrijf neemt de productie van hun raketten slechts twee maanden in beslag. En naarmate nieuwe technologieën worden ontwikkeld, kan Relativity Space nieuwe raketmodellen in aanzienlijk minder tijd produceren dan de concurrenten hiervoor nodig hebben.

De duidelijkste voordelen van WAAM zijn dezelfde als bij alle vormen van 3D-printen. De productie is onafhankelijk van de locatie, dus dure logistiek is niet nodig. U kunt vervangende onderdelen op maat printen als deze nodig zijn zonder dat u een voorraad hoeft aan te houden van artikelen waar zelden behoefte aan is. Geautomatiseerde en computergestuurde processen beperken de kans op menselijke fouten tot het minimum.

Eén van de grote voordelen is dat 3D-printen compleet nieuwe ontwerpen mogelijk maakt. Er is meer vrijheid in vorm, zodat vormen kunnen worden geproduceerd die met behulp van traditionele methoden zeer kostbaar of zelfs onmogelijk zouden zijn geweest.

Gedigitaliseerde 3D-techniek biedt een kans om te experimenteren en plannen flexibel te wijzigen. Het proces is veel effectiever dan bij op traditionele tooling gebaseerde productie. Kleine wijzigingen en herhalingen kunnen eenvoudig in de planningsfase worden aangebracht en de tijdspanne van idee tot eindproduct is korter dan bij gebruik van andere methoden.

Nog een reden waarom WAAM nuttig is, is dat u metalen onderdelen met minder materiaal kan ontwerpen. Dat is niet alleen goed voor de koolstofvoetafdruk, maar ook voor de portemonnee.

Bij WAAM is de samenwerking tussen de ontwerper en de fabrikant van cruciaal belang. Een goed voorbeeld hiervan is de productie van een motorbeugel voor Wärtsilä, fabrikant van energietechnologie. Het ontwerp werd beoordeeld in de ontwerpsprint van Merinova energiecluster en door Etteplan uitgevoerd. ANDRITZ Savonlinna Works nam de fabricage voor zijn rekening.

De uitdaging was het ontwerpen van een onderdeel dat trilling in het machineframe zou voorkomen. De oorspronkelijke oplossing bestond uit vier dikke metalen platen die aan elkaar werden gelast en afgewerkt door middel van vlakfrezen. De beugel werd met 16 bouten bevestigd en het totaalgewicht was ruim 31 kilo.

Tijdens de ontwerpsprint van Merinova bleek snel dat 8 bevestigingsbouten voldoende zouden zijn. Omdat het project op dat moment uitsluitend in gedigitaliseerde vorm bestond, kon de planning eenvoudig tijdens de uitvoering worden aangepast.

Bij traditioneel ontwerp zou de verleiding groot zijn geweest de wijziging te negeren en door te gaan met 16 bouten om extra werk te vermijden – en zo de kans op innovatie met nieuwe soorten oplossingen te verspelen.

Figuur 1. toont hoe de beste eigenschappen van drie ontwerpsoftwarepakketten in één ontwerp van een component zijn ingezet. Dankzij correct 3D-databeheer kunnen de geometrische wijzigingen snel worden toegepast (in dit geval van een ontwerp met 16 bouten naar 8 bouten).

Ontwerpsoftwarepakketten, zoals Altair Inspire en nTopology die werden toegepast in het geval van de motorbeugel van Wärtsilä, kunnen binnen de vastgestelde grenzen suggesties doen voor verschillende oplossingen. Dit heet topologie-optimalisering – het ontwerpen van een printbaar object met gebruik van zo min mogelijk materiaal en toch stevig genoeg om aan het beoogde doel te voldoen.

Terwijl software nieuwe denkwijzen kan bieden, is nog steeds een menselijke technicus nodig voor het uitfilteren van onmogelijke of onverstandige suggesties en het kiezen van de suggesties die voor verdere ontwikkeling in aanmerking komen.

Het eindontwerp van de beugel woog slechts ongeveer 21 kilo, aanzienlijk minder dan het origineel. Menselijke planners zouden de in de afbeelding getoonde futuristische vorm nooit hebben verzonnen.

De motorbeugel van Wärtsilä

Kan een geprint object waarbij meerdere lagen metaal met elkaar zijn verbonden net zo sterk en duurzaam zijn als een stalen blok? Dat blijkt inderdaad het geval. ANDRITZ onderwierp een ander 3D-geprint model dat uit 95 lagen bestond aan zware testen. Het gelaste blok doorstond alle testen, zoals buigzaamheid, corrosie, stoten en sterkte. In sommige gevallen was het geprinte materiaal zelfs veel sterker dan de informatiebladen vereisten.

Er is moed en een op de toekomst gerichte blik nodig voor het uitproberen van nieuwe benaderingen. Succesvolle uitvoering van het project voor Wärtsilä vereiste een combinatie van deskundigheid en creatief denken. Het vereiste samenwerking tussen de ontwerper, de fabrikant en de opdrachtgever.

De verwachtingen van additive manufacturing zijn hooggespannen. Terwijl de mogelijkheden van WAAM continu toenemen, zijn nog steeds investeringen nodig om met maximumcapaciteit te kunnen printen in plaats van de beperkte middelen tussen traditionele productie en additive manufacturing projecten te verdelen.

WAAM heeft zich al bewezen als een voor gebruik in de productie geschikte oplossing. Naast de bovengenoemde motorbeugel heeft ANDRITZ onlangs de eerste met WAAM geprinte onderdelen op machines van een pulp verwerkende fabriek geleverd en geïnstalleerd. Ook loopt een project voor het vergroten van de afmetingen van geprinte onderdelen van tientallen tot honderden kilo's.

Additive manufacturing is een onderdeel van de digitaliseringstrend. Het is ook een belangrijke stap op weg naar het verbinden van virtuele werelden met de fysieke realiteit. Dankzij de ontwikkelingen op het gebied van CAM-mogelijkheden, software en fabricage kunnen we dingen maken op een manier die slechts een paar jaar geleden nog voor onmogelijk werd gehouden. We kunnen ons nu nog niet eens voorstellen welke toepassingen van WAAM we in de komende jaren nog gaan verzinnen. Het wordt één groot spannend avontuur.

Wilt u meer weten over oplossingen voor 3D-printen met metaal? Neem gerust contact met ons op!