Printen met metaal – op grote schaal

3D-printen heeft zich vanaf het maken van kleine prototypes van kunststof echt verder ontwikkeld. De keuze aan geschikte materialen en toepassingen voor additive manufacturing groeit steeds meer en op dit moment gebeuren de interessantste ontwikkelingen in het printen van grote objecten van metaal.

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

Het is duidelijk dat lassen met robots al een tijd bestaat, dus waarom is WAAM de laatste tijd zo'n veelbesproken onderwerp? De belangrijkste reden is dat de technische en programmeertechnologieën nu echt zijn doorontwikkeld, waardoor complexe objecten kosteneffectief geprogrammeerd en geprint kunnen worden.

Nieuwe start-ups 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. Terwijl een ruimtevaartuig traditioneel zo'n 100.000 verschillende onderdelen bevat, heeft Relativity Space dit met behulp van 3D-printen tot 1.000 teruggebracht.

Volgens het bedrijf kost de productie van hun raketten slechts twee maanden. En naarmate nieuwe technologieën zich ontwikkelen, kan Relativity Space nieuwe raketmodellen in veel minder tijd produceren dan hun concurrenten daarvoor 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. Je kunt vervangende onderdelen op maat printen wanneer je ze nodig hebt, zonder dat je een voorraad hoeft aan te houden van artikelen waar je zelden behoefte aan hebt. Geautomatiseerde en computergestuurde processen beperken de kans op menselijke fouten tot een minimum.

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

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

Een andere reden waarom WAAM nuttig is, is dat je metalen onderdelen met minder materiaal kunt ontwerpen. Dat is niet alleen goed voor de CO2-voetafdruk, maar ook voor je portemonnee.

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

De uitdaging was het ontwerpen van een onderdeel dat trillingen 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 meer dan 31 kilo.

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

Bij traditioneel ontwerp zou de verleiding groot zijn geweest om 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 toegepast. Dankzij correct 3D-databeheer kunnen de geometrische wijzigingen snel worden doorgevoerd (in dit geval van een ontwerp met 16 bouten naar 8 bouten).

Ontwerpsoftwarepakketten, zoals Altair Inspire en nTopology die zijn gebruikt voor 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 zo min mogelijk materiaal, terwijl het toch stevig genoeg is om aan het beoogde doel te voldoen.

Terwijl software nieuwe denkwijzen kan bieden, is er nog steeds een menselijke technicus nodig om onmogelijke of onverstandige suggesties eruit te filteren en de suggesties te kiezen 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 futuristische vorm die in de afbeelding staat 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 heeft een ander 3D-geprint model dat uit 95 lagen bestond zware testen laten ondergaan. Het gelaste blok doorstond alle testen, zoals buigzaamheid, corrosie, stoten en sterkte. In sommige gevallen was het geprinte materiaal zelfs veel sterker dan de specificaties vereisten.

Er is moed en een toekomstgerichte 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 steeds groter worden, zijn er 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 oplossing die geschikt is voor gebruik in de productie. Naast de eerder genoemde motorbeugel heeft ANDRITZ onlangs de eerste met WAAM geprinte onderdelen op machines van een pulpverwerkende fabriek geleverd en geïnstalleerd. Ook loopt er een project om de afmetingen van geprinte onderdelen van tientallen tot honderden kilo's te vergroten.

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.

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