04/02/2015
Door Liam van Koert
Er wordt al heel wat jaartjes metaal geprint. Maar net als andere 3D-technieken, zijn ook metaalvarianten hot. Ze hebben het tij mee, maar zetten ook daadwerkelijk flinke stappen naar betere resultaten tegen lagere kosten. Wat is de stand van zaken en waar gaat dat naartoe?
Het is een gedurfde uitspraak van het ooit door Thomas Edison opgerichte bedrijf. De 3D-community is er vol van. En als één partij de centen heeft om additive manufacturing op grote schaal toe te passen, dan is het wel General Electric. Met een jaaromzet van 351 miljard dollar is GE het op één na grootste bedrijf ter wereld. Dus als GE zegt dat het over vijf jaar de helft van zijn productie met additive manufacturing doet, dan gaat daar wel wat van uit. Ook al zit in die die getallen een flinke portie Amerikaanse bluf.
Van straalmotor tot sensor
Een van de takken van sport waar GE flink aan de AM-weg timmert is Aviation. Hier worden onder andere straalmotoren gemaakt die dankzij ‘metaalprinttechnieken’ een ware metamorfose zullen doormaken. Dat is althans de belofte. Begonnen is met de inspuiting voor hun LEAP jet engine. Bij de traditionele variant, die uit 18 aaneen gelaste onderdeeltjes bestaat, is er op den duur sprake van koolstofafzetting die het gevolg is van de gebruikte coating in combinatie met zeer hoge temperaturen. De nieuwe verstuiver bestaat uit één stuk en bevat bovendien tal van koelkanalen. Hij is gemaakt middels Direct Laser Melting, ofwel DLM. Hierbij verrijzen onderdelen uit een poederbed van (in dit geval) kobalt-chromium door met een krachtige en nauwkeurige laser de legering op precies de juiste plekken te doen smelten. Laagje voor laagje – elk 20 micron dik – worden zo verstuivers gemaakt die niet alleen efficiënter zijn, maar ook 5 keer zo lang mee gaan en 25 procent lichter zijn. Stop er 19 stuks van in één motor en je bespaart behoorlijk wat kerosine. En ook GE wordt er beter van: het produceren middels DLM in opgeschaalde versie is stukken goedkoper. Geen wonder dat ze alleen al voor hun aviationdivisie in 2020 zo’n 100.000 onderdelen per jaar verwachten te printen. En dat dan wel minimaal 20 keer sneller dan nu het geval is. Investeringen van 3,5 miljard dollar in de komende 5 jaar moeten dit mogelijk maken.
Inkt
Overigens is aerospace niet de enige discipline waar GE druk met additive manufacturing bezig is. Zo ontwikkelt het bedrijf momenteel ook een technologie om sensoren rechtstreeks in machines te printen. GE noemt het Direct Write. Hierbij worden twee typen ‘inkt’ gebruikt die laagsgewijs middels een soort automatisch pen op een oppervlak worden afgezet. Het eerste type inkt bestaat uit een mix van zilver, koper, platina en andere metaaldeeltjes. De tweede inktmix gebruikt oxides in plaats van zuiver metaal om zo elektrische weerstand te introduceren. Volgens GE is Direct Write ideaal voor precieze kleine onderdeeltjes, zoals sensoren en antennes. Ze zijn bestand tegen temperaturen van 1100°C en hebben een hoge mechanische belastbaarheid op de koop toe.
Sinds de uitspraak van de productiegigant en de introductie van de LEAP-straalmotor (eind 2014 vond de eerste succesvolle testvlucht plaats) houdt de productiewereld GE nauwlettend in de gaten. Hetzelfde geldt voor andere GE-divisies. Want zou die metaalprintrevolutie ook vele onderdelen van de gasturbines van GE Energy ontzettend van pas komen? Of wat te denken van GE Healthcare die niet alleen met prothesen te maken hebben, maar het sensorprinten ook kunnen inzetten voor hun medische apparatuur.
Metaalprinten in de Benelux
Tot zover de metaalprintactiviteiten van een productiegigant. Want hoewel spraakmakend en invloedrijk, is GE verre van de enige partij die zich met het printen van metalen bezighoud. In Nederland en België komen we wat dat betreft niets tekort. Zo is iedereen die een beetje met metaalprinten bekend is, ook bekend met het van de KU Leuven afkomstige Layerwise. Inmiddels deel van 3D-Systems is het één van de Belgische pareltjes die er op metaalprintgebied zijn. Met name het Selective Laser Melting van titanium hebben ze erg goed in de vingers, waarbij ze dichtheden van 99,98 procent halen. Hierbij zijn ook grote series tot 100.000 stuks geen probleem. Een tweede Belgische bekende is natuurlijk ook Materialise. Dit bedrijf heeft zich gespecialiseerd in software om bij 3D-productie te ondersteunen. Hun software is wereldberoemd en een onmisbaar stukje gereedschap bij menig metaalprintproject. Of wat te denken van een bedrijf als Melotte? Zij zijn specialist in wat ze Direct Digital Manufacturing noemen. Diverse metaalprintmethoden, inclusief ontwerp en engineering, allemaal met als doel de impact op het milieu te minimaliseren. Last but zeker not least moet voor het Belgische deel van de Benelux hoogstandjes ook zeker Sirris genoemd worden. Hier vindt veel onderzoek naar materialen plaats, maar kunnen bedrijven in het uitgebreide machinepark ook scans laten uitvoeren of AM misschien ook iets voor hen is. Hierbij kunnen zelfs Functionally Graded Materials (FGM) worden toegepast, waarbij het ene materiaal vloeiend in het andere overloopt.
Metaaldal
Ook in Nederland is er op het gebied van metaalprinten genoeg te doen. Zo wordt er in verschillende verbanden flink samengewerkt om processen en materialen naar een hoger niveau te tillen. Denk hierbij aan de samenwerking van o.a. Frencken, NTS, KMWE en Additive Industries om zich op het wereldtoneel met de beste te kunnen meten, ook als het gaat om het printen van metalen hightech-delen. In het Metal Valley Netherlands verband wordt, net als binnen de contouren M2i (Materials Innovation Institute), hard gewerkt aan onderzoek naar nieuwe hightech-materialen. En om de cirkel rond te maken, mogen ook NLR en TNO natuurlijk niet ontbreken. TNO, dat zich al decennia met 3D-productie bezighoudt, heeft samen met NLR (Nederlandse Lucht- en Ruimtevaart Laboratorium) het Metal Additive Manufacturing Programma (MAMTec) in het leven geroepen. Hoewel het om wat bescheidenere investeringen gaat dan GE zich kan permitteren, maken TNO en NLR 200.000 euro per jaar vrij voor onderzoek naar materialen, processen, standaardisatie, ontwerpregels en gereedschappen en toepassingen. Andere bedrijven kunnen voor 50.000 euro per jaar ook aan het programma deelnemen (voor vier jaar) en delen in de geboekte onderzoeksresultaten.
Een laatste Nederlandse metaalprintsucces is misschien iets minder hightech, maar hoort voor wat betreft businessmodel zeker ook in het rijtje thuis. Het gaat natuurlijk over Shapeways, waar consumenten zelf hun 3D-ontwerpen kunnen bestellen en verkopen. Naast tal van plastics biedt Shapeways ook het printen van metalen aan. Via de website bestel je er koper, brons, goud, platina, zilver en staal.
Een blik in de toekomst op RapidPro
Tot zover een zeer beknopte stand van zaken. Hadden daarin ook bedrijven als EOS, Concept Laser, Renishaw, Phenix niet even aan bod moeten komen? Ongetwijfeld. Maar onder de noemer van hun Nederlandse vertegenwoordigingen, kunt u beter op RapidPro kijken hoe de printmachinevlag erbij hangt. Zij zijn er op 3, 4 en 5 maart namelijk prominent aanwezig. Datzelfde geldt overigens voor de meeste hiervoor genoemde bedrijven (met uitzondering van GE) en hun oplossingen. En als u er dan toch bent, dan is er natuurlijk ook de mogelijkheid diverse lezingen over metaalprinten te volgen. Of het nu gaat over de verschillende beschikbare methoden, ontwikkelingen in materialen, of om de vraag hoe metaalprinten effectief in het totale productieproces kan worden geïntegreerd, het komt allemaal aan bod. Het beste zicht op de toekomst krijgt u echter door met verschillende experts van gedachten te wisselen. Doe daarbij de oogkleppen af en gun ook aanverwante processen als zandprinten voor het gieten van metaal, of de oude vertrouwde verloren-was-methode die ook op RapidPro te vinden zijn een blik waardig. En weet u het dan nog niet, dan is er om de hoek altijd nog het Additive World Conference, dat afsluit met, jawel, een VIP-bezoek aan RapidPro.
Metaal wat?! BINGO!
Wie zich in de wereld van additive manufacturing, en dan in het bijzonder het ‘printen’ van metaal begeeft, kan het door alle termen nog wel eens gaan duizelen. SLM, DLM, EBM, SLS, LMD, DMD: het zijn zomaar een paar voorbeelden van de acroniemen die men kan tegenkomen. In basis gebeurt overal hetzelfde.
1) Iemand ontwerpt een onderdeel
2) Software snijdt dit onderdeel virtueel in horizontale plakjes
3) Een kamer in de productiemachine wordt gevuld met (metaal)poeder
4) Een laser (of elektronenbundel) beweegt zich over het poeder, zodat zich een vast laagje vormt
5) Laag voor laag wordt op elkaar gestapeld totdat het product klaar is
6) Het poeder dat overblijft kan opnieuw worden gebruikt, er is geen residu.
Naast de Babylonische spraakverwarringen die deels het gevolg zijn van patenten en deels van marketingpraat van fabrikanten, zijn er ook echte verschillen. Zo staat de laatste S telkens voor Sintering, de laatste M voor Melting en de laatste D voor Deposition. In het geval van Sintering wordt metaalpoeder plaatselijk dusdanig verhit dat het net niet smelt, maar op moleculair niveau wel een verbinding aangaat met de buren. Op deze manier kan laagsgewijs een 3D-geometrie worden opgebouwd en kunnen ook verbindingen van verschillende metalen onderling worden gemaakt. Ideaal voor legeringen dus. In het geval van Melting – de naam zegt het al – wordt het poeder in het poederbed gesmolten en ontstaan er homogene lagen die een grotere dichtheid hebben en minder poreus zijn. Bij de D van Deposition tot slot gaat het ook om smelten. Hier is er echter geen sprake van een poederbed, maar van een printkop’’ waaruit het poeder heel precies wordt gedoseerd.