15/11/2016
Door Bart Driessen
Met de MetalFAB1 zet Additive Industries een forse stap voorwaarts richting versnelde 3D-printers. Mark Vaes, directielid en technology manager bij Additive Industries, vertelt over hun nieuwste paradepaardje, de MetalFAB1.
Start-ups kiezen graag voor industriële gebouwen met een rijke historie. Zoals op Strijp S in Eindhoven, waar Philips in vroeger jaren tal van producten maakte. Op het enorme terrein van 27 hectare is nu naast woningbouw en horeca ook ruimte voor de nieuwe tech-industrie. Additive Industries was een van de eersten, gestart in 2012 en nu al internationaal succesvol met de ontwikkeling en bouw van 3D-printers voor high-end toepassingen. Klanten van Additive Industries zijn actief in de aerospace (Airbus APWorks), automotive toeleveranciers (GKN), de Kaak Group en United Grinding. Additive Industries telt nu 32 werknemers, waarvan 20 hoogopgeleide engineers. Voor de engineering en bouw van machinedelen maakt het bedrijf regelmatig gebruik van gespecialiseerde toeleveranciers die in de regio Eindhoven zeer ruim vertegenwoordigd zijn. Maar de engineering van nieuwe types en de eindassemblage houdt Additive Industries in eigen handen. De reden: het wil garant staan voor kwaliteit en reputatie.
Snelheid
De opkomst van 3D-printing heeft vooral te maken met vormvrijheid. Immers doordat het werkstuk laag na laag wordt opgebouwd, kunnen producten in complexe vormen worden gemaakt. Producten die anders alleen met extra bewerkingen realiseerbaar zijn. De grote uitdaging is echter de snelheid waarmee 3D-printers tot nu toe werken. Mark Vaes: “Vooral bij high-end toepassingen willen gebruikers 3D-printers die sneller en in serie kunnen werken. Met name in de vliegtuigbouw zoals Airbus dat werkt met titanium is de vraag naar snellere 3D-printers erg groot. Ons antwoord daarop is de MetalFAB1. De versnelling door dit nieuwe type machine is grotendeels te danken aan de verregaande automatisering van diverse processtappen. We hebben de complete machinebesturing gebaseerd op EtherCAT; wat ook geldt voor de overgangen die gemaakt worden van de ene processtap naar de volgende. Daardoor lopen we opnieuw voor op de concurrentie. In veel bestaande 3D-printers worden deze handelingen nog steeds handmatig uitgevoerd. In de MetalFAB1 is dat tot een minimum teruggebracht.”
Capaciteit met modules
Minstens zo belangrijk voor de snelheid en capaciteit is de modulaire opbouw van de MetalFAB1. “De kleinste uitvoering van de MetalFAB1 bestaat uit drie modules en kan worden uitgebreid tot 11 modules. Zodoende kunnen we de capaciteit door het bijplaatsen van modules gemakkelijk vergroten. Op dit moment werken we aan een MetalFAB1 die bestaat uit zes modules. Welke zijn dat? De eerst is de besturingsmodule, waar alle Beckhoff-automatisering is ondergebracht. Dan volgen er twee AM Cores ofwel Additive Manufacturing Cores, voor het eigenlijke printproces; waarvan een module optioneel is. Door echter een tweede AM Core toe te voegen stijgt de productiviteit van de machine enorm. De MetalFAB1 is dan tot tien maal zo productief als machines uit het middensegment. Daaraan gekoppeld hebben we een optionele module geplaatst die dient voor hittebehandeling van het werkstuk. Daarna volgt een andere optionele module die tijdens het uitvoeren van meerdere bewerkingen dient voor de opslag van werkstukken. De laatste module is weer een standaard module. Deze dient voor het afvoeren uit de machine van producten die gereed zijn.”
Kiezen voor automatisering
De beslissing van Additive Industries om de 3D-printers uit te rusten met automatiseringsoplossingen van Beckhoff is in 2014 genomen. Wat waren daarvoor de belangrijkste argumenten? Mark Vaes: “Voor ons geldt als eerste eis dat oplossingen voldoen aan hoge industriële eisen wat betreft robuustheid, snelheid, compleetheid, standaardisatie en kosten. Belangrijk is dat de besturingstechniek in onze machines ook hanteerbaar is voor onze toeleveranciers. Voor softwareontwikkeling werken wij bijvoorbeeld samen met Cordis in Eindhoven, een bedrijf dat erg veel ervaring heeft met Beckhoff-producten. Bij zo’n partij kun je vertrouwen op een hoog kwaliteitsniveau wat ons ook weer zekerheid geeft. Een ander belangrijk argument is EtherCAT. Dat is een industriële standaard die overal bekend en geaccepteerd is. Het derde argument is de snelheid en determinisme van het complete systeem; een belangrijke eis voor machinebesturingen. Een ander argument is de goede prijs-kwaliteitsverhouding van de Beckhoff-fabricaten, ook niet onbelangrijk. En tenslotte werken wij het liefst met een leverancier die een zo compleet mogelijk portfolio kan bieden. Daardoor kunnen we onze besturingen bouwen met zo min mogelijk verschillende fabricaten. Dat heeft als voordeel dat componenten goed op elkaar aansluiten en er nauwelijks discussies mogelijk zijn tussen verschillende leveranciers.”
Stappen in printingproces
Als basis voor de besturing van de MetalFAB1 dient TwinCAT, versie 3. Met deze software worden alle stappen in het printingproces van de machine bestuurd en bewaakt. De 3D-printer beschikt over een hoofd-PC (CX2040) waarop alle 500 I/O’s op aangesloten zijn. Ook de met EtherCAT bestuurde motoren, servomotoren en stappenmotoren waarmee 15 assen worden aangedreven, zijn daar op aangesloten. Verder zijn alle vijf de machinemodules uitgerust met elk een kleinere PC, (CX5020) waarvan drie verschillende typen. Voor het gebruik van remote support is de PC van de 3D-printer uitgerust met TeamViewer. Tijdens werkbezoeken door engineers van Additive Industries bij eindgebruikers wordt regelmatig TeamViewer toegepast; een praktijk die ook bij de nieuwe MetalFAB1 voorkomt.
3D printing met de MetalFAB1
Hoe werkt 3D-printing in het geval van de MetalFAB1? “Een belangrijke toepassing van onze machines is het printen van metalen onderdelen voor de vliegtuigindustrie. Het printen zelf werkt volgens het princiep van ‘powderbed fusion’. Metaal, bijvoorbeeld titanium, wordt dan in poedervorm op een plaat aangebracht en gelaserd. De laser heeft een vermogen van 1500 watt en kan het materiaal tot een hitte van 1100 graden verwarmen. De laser zorgt dat het poeder smelt. Terwijl de plaat zakt, wordt het metaal laag voor laag aangebracht. Dat gebeurt met een snelheid van 1 meter per seconde. Om de capaciteit te verhogen kan de MetalFAB1 worden uitgerust tot maximaal vier laser- of AM-moduels. Veel gebruikte materialen voor het printen in onze markt zijn naast titanium ook aluminium en diverse nikkellegeringen. Titanium is een zeer geliefd materiaal, vooral in de luchtvaart vanwege het lichte gewicht. Het is op zich moeilijk te verwerken, maar onze machines hebben daar geen problemen mee. Een andere markt is die voor tooling. Met onze 3D-printers worden spuitgietmallen gemaakt; vooral met complexe vormen. Uitgerust met heel mooie koelkanalen! Na het printen moet de spanning in het materiaal worden weggehaald. Dat doen we door de plaat en het werkstuk in een oven te plaatsen waarin de temperatuur gecontroleerd daalt. Dan volgt een optionele module voor tussentijdse opslag van verschillende producten. Het voordeel van deze module is dat de machine dan verschillende producten in een batch kan maken; waardoor de capaciteit van de machine ook wordt vergroot. Daarna volgt de module waarin de laatste stap wordt gezet. Het overbodige poeder wordt dan door een stofzuiger verwijderd; een combinatie van blazen en opzuigen. Het verwijderen van het poeder is vanwege de complexe vormen van het werkstuk een behoorlijke uitdaging. Om het stof uit alle hoeken te verwijderen moet de nozzle dan ook op diverse plaatsen gericht worden. Nadat ook die stap gezet is wordt de plaat en het werkstuk uit de machine gehaald.”