Additive manufacturing speelt een steeds belangrijkere rol in de maakindustrie en wordt vooral gebruikt bij het maken van gereedschappen en het bouwen van prototypes.

Additive Manufacturing: Definitie en uitleg

Dit fabricageproces wordt vooral gebruikt bij de vervaardiging van gereedschappen (rapid tooling), bij de fabricage van eindproducten (rapid manufacturing) en bij de prototypebouw (rapid prototyping). Hoe kan additieve vervaardiging worden ingedeeld bij de vervaardigingstechnologieën? Productietechnologieën zijn over het algemeen gebaseerd op drie pijlers:

• Subtractieve processen (er wordt iets verwijderd): Frezen, latten, enz.

• Vormende processen (een materiaal wordt opnieuw vormgegeven): Gieten, smeden, enz.

• Additieve processen (er wordt iets toegevoegd): 3D-printen, enz.

Additieve fabricage beschrijft processen waarbij het te vervaardigen onderdeel wordt geconstrueerd door toevoeging van materiaal. De constructie wordt in lagen uitgevoerd. Hierbij spelen de volgende twee aspecten een rol:

1. Het onderdeel is opgebouwd uit verschillende lagen. Gewoonlijk wordt het proces van onder naar boven uitgevoerd. Eenvoudig gezegd wordt hetzelfde principe gebruikt als bij het bouwen van zandkastelen: Een nieuwe laag wordt op een bouwplatform aangebracht om een toren te bouwen.

2. Verschillende processen vinden herhaaldelijk in lagen plaats (d.w.z. de een na de ander). Dit omvat het aanvoeren van het materiaal, het smelten (vormen), en tenslotte het hechten met de vorige lagen. Deze stappen, die de procesketen worden genoemd, zijn hetzelfde, ongeacht welke machine voor additieve vervaardiging wordt gebruikt. Het enige verschil is de manier waarop de afzonderlijke lagen worden gemaakt.

Additive manufacturing maakt het dus mogelijk om 3D-objecten te maken. Om dit mogelijk te maken, heeft de machine eerst de 3D-ontwerpspecificaties (“driedimensionale CAD”) van het te vervaardigen onderdeel nodig. De desbetreffende gegevensset bestaat uit de omtrekgegevens (lengte x, hoogte y), het aantal lagen (z) en de laagdikte (dz). Het is de taak van het bijbehorende computerprogramma om het model in geschikte lagen te verdelen. De software geeft de dataset vervolgens door aan de machine in de vorm van productie-instructies, bijvoorbeeld aan de printer voor het 3D-printen van metaal.

Hoe werkt het?

In bijna alle gevallen wordt bij additieve vervaardiging gebruik gemaakt van een poederbed. Dit betekent dat een poedervormig materiaal in een bed wordt gebracht waar het verder wordt verwerkt. Bij 3D-metaalprinten bijvoorbeeld wordt een metaal (of meerdere metalen) gereduceerd tot een poeder voordat het in de kamer wordt gevoerd en opnieuw wordt opgebouwd. Er zijn vier gangbare methoden om de lagen uit het poeder te produceren:

• Selective Laser Sintering (SLS)

• Selective Laser Melting (SLM)

• Electronic Beam Melting (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: Bij sinteren worden materialen onder druk verhit, maar niet tot het punt dat ze smelten. Lasertechnologie maakt het mogelijk om driedimensionale geometrieën te creëren door gebruik te maken van ondersnijdingen. Meestal worden hiervoor CO2- of vezellasers gebruikt.

SLM: Het poeder wordt verhit door een hoogenergetische vezellaser en vervolgens afgekoeld. De vorm van de onderdelen wordt gecreëerd door de gerichte afbuiging van de laserstralen. SLM wordt steeds vaker gebruikt dan SLS. Omdat er geen druk wordt uitgeoefend, vertonen de voorwerpen een hogere sterkte en zijn ze dus duurzamer. Dit proces wordt veel gebruikt voor het 3D printen van metaal.

EMD/ EBM: In principe is deze methode vergelijkbaar met SLM. Bij deze toepassing wordt echter gebruik gemaakt van een elektronenbundel en niet van een laserstraal. Het gehele proces vindt plaats in een vacuüm. EMD is sneller dan SLM, maar minder nauwkeurig en heeft een lager maximaal afdrukvolume. EMD-machines hebben een gemiddelde diameter van 350 mm en een hoogte van 380 mm. SLM-machines zijn twee keer zo groot. EMD is vooral een ideale additieve productietechnologie wanneer kleine onderdelen in grote hoeveelheden moeten worden geproduceerd. Dit proces wordt ook vaak gebruikt voor 3D metaalprinten.

Binder Jetting: Het poeder wordt selectief gedeponeerd met een vloeibaar bindmiddel om de lagen te vormen. Dit proces heeft het voordeel dat een zeer eenvoudige constructie in verschillende kleuren mogelijk is.

Andere fabricageprocessen

Deze vier soorten additieve fabricage kunnen worden aangevuld of vervangen door andere processen. Dit geldt bijvoorbeeld voor:

• Stereolithografie: Dit is een klassiek geval van additieve vervaardiging. Het proces was al in 1983 ontwikkeld door Chuck Hull. Het voorwerp wordt geleidelijk neergelaten in een vloeibaar fotopolymeerbad. Het wordt bewerkt met een laser.

• Fused Layer Modelling (FLM): Dit is de gebruikelijke procedure voor 3D-printen (met kunststoffen). Dit is een speciaal extrusieproces waarbij het materiaal na afkoeling uit een spuitmond wordt “geperst” tot vorm. Zoals gebruikelijk vindt de extrusie plaats in lagen. In bijvoorbeeld de automobiel- of elektronica-industrie is FLM vaak een aanvulling op SLM-objecten. 3D-metaalprinten kan bijvoorbeeld worden aangevuld met FLM.

Toepassingsgebieden

De toepassingsgebieden van additieve fabricageprocessen kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën. Deze toepassingen worden vaak ten onrechte gelijkgesteld met de technologieën:

• Rapid Prototyping: Additive manufacturing wordt gebruikt om de snelle bouw van een model mogelijk te maken. In een vroeg stadium van de ontwikkeling van een product moeten er fysieke modellen beschikbaar zijn. Met Rapid Prototyping kunnen deze modellen op een bijzonder betrouwbare manier worden vervaardigd.

• Rapid Tooling: In Duitsland worden kleine serie gereedschappen voor spuitgieten en metaalgieten meestal geproduceerd door middel van 3D-metaalprinten.

• Rapid Manufacturing: Hierbij gaat het om de snelle productie van voorwerpen die als eindproduct of onderdeel worden gebruikt. In tegenstelling tot rapid prototyping worden er geen modellen gegenereerd, maar kant-en-klare onderdelen.

Pros and Cons of Additive Manufacturing

Wat zijn de voordelen van additive manufacturing?

• Individualisering

• Grote ontwerpvrijheid

• Snelheid

• Geen gereedschap en geen mallen nodig

Een van de belangrijkste voordelen is dat objecten naar wens kunnen worden aangepast. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om wanden met verschillende diktes, zeer fijne structuren of zeer kleine afmetingen te produceren. Bovendien is het mogelijk om met 3D-metaalprinten complexe geometrieën te realiseren, die met andere fabricageprocédés niet mogelijk zouden zijn. Dit omvat bijvoorbeeld holtes, ondersnijdingen, kanalen met bogen of overhangen. Vroeger was het zo dat het ontwerp van een object de beperkingen van de productiemogelijkheden moest volgen. Met additieve vervaardiging valt deze beperking grotendeels weg en daarom is het een groot voordeel, vooral bij 3D-printen van metaal. Bovendien duurt de additieve fabricage van een voorwerp meestal slechts enkele uren, terwijl andere fabricageprocessen dagen of weken in beslag nemen.

Additieve fabricage heeft ook de volgende nadelen:

• Onvermijdelijke nabewerking

• Beperkte geschiktheid voor industriële massaproductie

Als voor een voorwerp een bepaalde oppervlaktekwaliteit nodig is, is nabewerking onvermijdelijk. Hetzelfde geldt als bepaalde toleranties moeten worden gehandhaafd. Hiervoor bestaat nog geen norm (ISO/ASTM 52195 zou echter op overeenkomstige wijze verder kunnen worden uitgewerkt). Vooral bij 3D-metaalprinten kan de nabewerking zeer tijdrovend zijn.

Zo kunnen bij 3D-metaalprinten meestal maximaal twee objecten tegelijk in één machine worden geproduceerd. Met conventionele fabricagemethoden kunnen daarentegen veel grotere hoeveelheden worden geproduceerd. Voor industriële massaproductie is additieve vervaardiging dan ook slechts in beperkte mate geschikt. Het beste voorbeeld hiervan is de autoproductie: Theoretisch zou een compleet voertuig met additive manufacturing kunnen worden geproduceerd. Vanwege het grote aantal onderdelen zou dit echter veel te duur zijn. Om deze reden worden de meeste onderdelen nog steeds met conventionele methoden vervaardigd.

Diversiteit van kosten

De kwestie van de investeringen is volgens deskundigen een controversieel onderwerp. Want de prijsklasse van de aanschafkosten van een machine varieert van 15 euro tot meer dan 100.000 euro. In vergelijking met andere machines is dit niet bijzonder duur. Dat is nog steeds het geval als de onderhoudskosten worden meegerekend. Vooral in de medische technologie biedt additive manufacturing dus een aanzienlijk kostenvoordeel. Bij industriële toepassingen ligt dat anders. Op dit gebied bijvoorbeeld vult 3D-metaalprinten de conventionele productiesystemen aan. Ze kunnen deze echter niet volledig vervangen. Hier veroorzaakt additive manufacturing extra kosten.

Additive Manufacturing in de toekomst

Additive manufacturing heeft een grote toekomst voor zich. SAMG vatte het als volgt samen: De huidige ontwikkeling van additive manufacturing heeft de voorspellingen van studies uit voorgaande jaren al overtroffen. Gerenommeerde onderzoeksinstellingen zoals ETH Zürich zijn ervan overtuigd dat 3D-metaalprinten steeds belangrijker zal worden in de machinebouw en de werktuigbouw. Het is de bedoeling dat additive manufacturing snel en nauwkeurig genoeg wordt om geschikt te zijn voor serieproductie. Op dit moment concurreren de mogelijkheden van additive manufacturing nog met CNC-gestuurde machines, die nog altijd beter geschikt zijn voor serieproductie. Het doel op lange termijn is dat het 3D metaalprinten van complexe objecten de CNC in de toekomst inhaalt.

De ruimtevaart- en luchtvaartindustrie zijn verantwoordelijk voor het succesvolle gebruik van 3D-printen. In de automobielsector worden met name reserveonderdelen vervaardigd met behulp van additieven. Hier vindt u meer informatie over het gebruik van additive manufacturing in een artikeloverzicht.

Dit artikel is voor het eerst gepubliceerd door MM International.