Steeds vaker worden stukken in metaal 3D-geprint, maar deze productietechnologie wordt nog niet toegepast in een mate die vanzelfsprekend lijkt gezien de vele mogelijkheden die deze technologie al geruime tijd biedt. Drie hogescholen, ondersteund door meerdere universiteiten, brancheverenigingen, opleidingscentra en hightech bedrijven zijn gaan samenwerken om 3D-metaalprinten een impuls te geven; Regieorgaan SIA heeft het deze week een SPRONG-subsidie toegekend. Initiatiefnemer is Rein van der Mast, onderzoeksleider 3D-Printen in Metalen bij Fontys Engineering.
‘3D-printen is niet meer de onbekende en onvolmaakte nieuwkomer die het eind vorige eeuw was. Veel bedrijven hebben inmiddels een filamentprinter of een soortgelijk apparaat staan om eenvoudige, ruimtelijke ‘afdrukken’ te maken’, weet Van der Mast. ‘Ook steeds meer volwaardige productonderdelen komen uit filamentprinters. En waar de complexiteit groter is, weten maakbedrijven alsmaar beter de servicebureaus te vinden.’
Rapid?
Toch is 3D-printen niet de vervaardigingstechniek geworden die de betrokkenen in de beginjaren voor ogen hadden. ‘Hun verwachtingen waren hoog gespannen, getuige de term ‘time-compression technologies’, maar zo snel en zo tijdbesparend bleek de nieuwe vervaardigingswijze allerminst en veel sneller werd het niet. Toch waren al gauw de voordelen duidelijk: het maken van (niet per sé al te nauwkeurige, maar wél complexe) prototypes bijvoorbeeld verliep met de technologie veel vlotter.
3D-printen is een blijvertje, aldus Van der Mast, maar niet alle varianten staan evenveel in de belangstelling. ‘Neem nou het 3D-metaalprinten met een ‘poederbed’ in combinatie met één of meerdere laserstralen. Zo’n ‘print’ bestaat vaak uit duizenden laagjes waarvan ieder laagje nog geen vijfhonderdste millimeter dik is. Erbinnen wordt de productdoorsnede op die hoogte met een laser of lasers ‘arcerend volgeschreven’. Waar de straal het poeder raakt, smelten de poederdeeltjes samen. Zo’n laserstraal is nauwelijks wijder dan de laagjes dik zijn, en dus zijn er heel veel lijnen nodig om al het poeder in de print samen te smelten. En dat vergt best wat tijd.’
Onderlinge afhankelijkheden
Omdat metaalprinters dure apparaten zijn is het dagenlang printen van één stuk niet goedkoop. ‘Dat hoeft helemaal niet onoverkomelijk te zijn; het hangt af van wat er tegenover staat. Maar het vinden van de voordelen is niet heel eenvoudig, want metaalprinten is complex en is onderdeel van een keten met tal van onderlinge in- en externe afhankelijkheden, meer nog dan bij de meeste conventionele vervaardigingstechnieken. Nederland telt flink wat toeleveranciers. Die maken wat OEM-ers ze opdragen. OEM-ers staan vaak ver van het maakproces af, en toeleveranciers op hun beurt vaak ver van ontwerpers. Een hechte aaneenschakeling van de schakels in de keten is echter een belangrijke voorwaarde bij de transitie die nodig is voor een succesvolle, omvangrijke implementatie van het metaalprinten. Die ontbreekt.’
Support structures
Hij illustreert: ‘De ontwerper en de werkvoorbereider moeten elkaar makkelijk weten te vinden. Beslissingen die de ontwerper neemt hebben namelijk grote gevolgen verderop in de keten, zoals bij de ‘support structures’. Dat zijn elementen onder de prints die tijdens het printen voorkomen dat fouten ontstaan en die na het printen geen functie meer hebben en dan dus moeten worden verwijderd. De hoeveelheid die de werkvoorbereider ervan moet toevoegen hangt af van de van de mate waarin de ontwerper erin is geslaagd zijn ontwerp af te stemmen op de karakteristieken van het printproces. Als hem dat niet zo goed is gelukt, zijn er veel van dergelijke elementen nodig, die niet alleen het materiaalgebruik en de printtijd verhogen, maar vooral de tijd die nodig is om de print af te werken. Want al die elementen moeten, vaak nog met de hand, worden verwijderd.’
Complementair
Door dit type van overdrachtsproblemen hapert de marktpenetratie van het 3D-metaalprinten, aldus Van der Mast. Wat versterkt wordt door nog een paar andere nadelen: ‘Zo zijn de prints niet erg glad en zijn ze lang niet zo nauwkeurig als draai- en freesdelen. Daar komt bij dat het printproces complex is en niet gemakkelijk in detail te doorgronden. In de bouwkamer van de printer zijn het bijvoorbeeld de snelheid en het patroon waarmee de laserstraal met een bepaald vermogen over het poederbed beweegt. Alleen daarin zijn enorm veel variaties mogelijk, waarbij de verschillende factoren elkaar onderling sterk beïnvloeden. Het is ondoenlijk om die allemaal te doorgronden en hun onderlinge afhankelijkheden is nog lang niet uitputtend onderzocht. Dat heeft tot gevolg dat meestal met standaard waarden wordt gewerkt, terwijl meer dan eens specifieke elementen in een stuk met afwijkende instellingen beter tot hun recht zouden komen.’
Maar 3D-printen en conventionele technologieën – ‘additief’ en ‘subtractief’ – kunnen elkaar echter uitstekend aanvullen, aldus Van der Mast. ‘Ze zijn dus complementair. Dit betekent dat soms verspanen het interessantst is en in andere gevallen printen. En in weer andere gevallen een combinatie van beide.’
Voordelen
Evenwel: ‘Deskundigen – waartoe ik mezelf reken – vinden dat tot op heden onnodig veel kansen onbenut zijn gebleven. Denk maar eens aan de complexiteit van de vormen die zich met 3D-printen heel direct laten ‘materialiseren’. En het heeft niet direct zin om bijvoorbeeld een sleutelhanger die met tienduizenden tegelijk te gaan printen. Maar bij de behuizing van een gehoorapparaat met een titanium kast ligt dat anders. Ook in dat geval zijn de aantallen groot, maar is de vorm per client afhankelijk van de vorm van diens gehoorgang. Daarom worden ook steeds meer implantaten geprint. Printen dicht bij plaats de waar het stuk nodig is, is kan ook een groot voordeel zijn.’
Hogescholen, IAMM
Al met al bestaan er legio mogelijkheden om van 3D-metaalprinten profijt te trekken en dat hogescholen hierbij kunnen en zelfs moeten helpen, meent Van der Mast. Daarom benaderde ik de hogescholen Saxion (Enschede, Concept Laster MLab) en Windesheim (Zwolle, EOS M400).. ‘Ze reageerden direct enthousiast en we zijn voorzichtig aan een gemeenschappelijk avontuur begonnen. We hebben wat later in onze samenwerking een subsidie aangevraagd: SPRONG, van Regieorgaan SIA. En we hebben er partners bij gezocht, die we hebben gevonden in onder meer hightech bedrijven, brancheorganisaties, opleidingscentra en meer.’
SPRONG-subsidie toegekend
Het lectoraat Kunststoftechnologie van hogeschool Windesheim (Zwolle) bundelt als penvoerder de krachten met de hogescholen Saxion (Enschede) en Fontys (Eindhoven) in het duurzame samenwerkingsverband Industrial Additive Manufacturing in Metals (IAMM). ‘Deze naam verraadt dat ook andere vormen van metaalprinten erbij horen. Denk bijvoorbeeld aan de systemen van Meltio en MX3D. En zoiets als ‘coldspray’.’
Deze week is hun SPRONG-aanvraag door Regieorgaan SIA gehonoreerd en zelfs als beste beoordeeld. De SPRONG-subsidie stimuleert de samenwerking tussen de betrokken hogescholen op het vlak van onderwijs en onderzoek, en met derden, waaronder het bedrijfsleven. Ze gaan met de subsidie en 50% cofinanciering afkomstig van onder meer het bedrijfsleven de komende 4 jaar aan de slag, met uitzicht op nog eens 4 jaar. Inmiddels is een groot aantal organisaties aangehaakt, waaronder brancheverenigingen, kenniscentra, universiteiten en vooraanstaande (hightech) bedrijven.
