artikel

Additive Manufacturing: Welke technieken zijn er en wanneer pas je ze toe?

Manufacturing

Additive Manufacturing is inmiddels een volwaardige productietechnologie en groeit nog steeds snel. Dat is onder andere te danken aan het feit dat het aantal technologieën en toepasbare materialen de laatste jaren flink is toegenomen. Het inzetbereik is inmiddels aanzienlijk, maar de overzichtelijkheid is er niet groter op geworden. Daarom is het nuttig om de belangrijkste technologieën, materialen en toepassingsgebieden in grote lijnen op een rij te zetten.

Additive Manufacturing: Welke technieken zijn er en wanneer pas je ze toe?

Stereolithografie (SLA)

Je neemt een bak met vloeibare, lichtgevoelige hars met daarin een platformpje. Op die hars laat je, op basis van een computermodel van een product, via de transparante bodem van het vat gericht laserlicht los. De éénpunts laser hardt de hars selectief uit. Laag voor laag bouwt de laser volgens de vormen die zijn vastgelegd in het computermodel het object op, waarbij het platformpje het vaste 3D-object als het ware uit de vloeistof omhoog trekt. Er vindt nabehandeling met UV-licht plaats om de mechanische eigenschappen te optimaliseren.
Met deze stereolithografie (SLA) zag in 1986 de 3D-printer letterlijk het licht. Inmiddels is SLA één van ruim een dozijn verschillende 3D-printtechnieken die ieder hun drie- of vierletterige afkorting en hun eigen specifieke toepassingsgebied hebben.

Opmars additive manufacturing

Lange tijd bleef 3D-printen een zeldzame en exclusieve technologie. Maar vooral nadat in 2009 een aantal sleutelpatenten op de technologie verliepen, begon het 3D-printen aan een opmars. In hetzelfde jaar verscheen de eerste thuisprinter, de RepRap, op de markt. De opmars ging deels richting dit soort steeds goedkopere pinters voor thuisgebruik. Daarnaast namen de mogelijkheden voor hoogwaardige industriële toepassingen toe. Om dat serieuze karakter van industriële toepassing te benadrukken, geven professionals de voorkeur aan de term Additive Manufacturing (AM).

Aangroeitechnieken

AM vormt tegenwoordig de derde groep van volwaardige productietechnologieën. AM komt daarmee naast de niet-verspanende technieken (lassen, gieten, smeden, persen en extruderen) en verspanende technieken (draaien, (CNC-)frezen, boren, zagen, slijpen, vijlen, vonken en snijden) te staan. Als Nederlandse vertaling voor Additive Manufacturing suggereert Wikipedia ‘aangroeitechnieken’, waaronder bijvoorbeeld laser-sinteren, opdampen, oplassen, oplijmen en opsmelten vallen.

Van plastic als grondstof naar meerdere materialen

Bij AM draait het vooral om toepassingen van kunststof en metaal. In de beginperiode was AM vrijwel synoniem met kunststof, voor bijvoorbeeld het maken van prototypen en schaalmodellen. Eind 2017 was nog altijd 88 procent van de AM-producten van plastic gemaakt. Een jaar later had er een dramatische kentering plaatsgevonden: het aandeel kunststof was geslonken tot 65 procent, vooral ten faveure van metaal. Wohters Report zag over 2017 de verkopen van 3D-plasticprinters met 21 procent toenemen, tegen maar liefst 80 procent groei voor de metaalprinters. Deze trend zet door. In 2020 of 2021 zal er meer AM in metaal dan in plastic plaatsvinden.
Er is nog een derde categorie materialen die gebruikt wordt in AM: biomaterialen voor het printen van beenderen, kraakbeen en spieren voor toepassingen in de gezondheidszorg.

Technologische vooruitgang

De groei zit er bij AM nog altijd flink in. Dat is voor een groot deel te danken aan technologische vooruitgang. Deloitte Insight van 11 december 2018 zet een aantal facetten daarvan op een rij. Zo is het aantal beschikbare materialen om te printen de afgelopen vijf jaar verdubbeld. In de praktijk zijn veel producten opgebouwd uit meerdere materialen. Wat dat betreft betekende de komst van printers die meerdere materialen tegelijk kunnen printen een sterke uitbreiding van de mogelijkheden.

Close-up laser sintering machine

Printsnelheid is een belangrijke factor in een productie-omgeving. Die snelheid is de afgelopen vijf jaar ruwweg verdubbeld. Al genoemd is de opkomst van het metaalprinten. Selective Laser Sintering (SLS) is daarvoor een geschikt, maar ook langzaam en kostbaar proces. Met het beschikbaar komen van Binder Jetting kan het metaalprinten twee keer zo snel plaatsvinden.
Nog een factor: de afmetingen van het te printen product groeien bij veel van de toegepaste technologieën. Als indicatie: waar in 2014 een product van maximaal 10 x 10 x 10 centimeter de maatstaf was, is anno 2019 een printer-procesruimte van 30 x 30 x 30 heel gewoon geworden. Sommige technologieën hebben helemaal geen specifieke werkruimte nodig en kunnen in de vrije ruimte opereren. De experimentele ontwikkeling van Big Area Added Manufacturing (BAAM) onderzoekt voor de toekomst het printen in de range van meters.

Vat fotopolymerisatie

Wie na het voorgaande enthousiast is geworden voor AM, zal nog wel moeten bepalen welke technologie de beste keuze is voor zijn of haar bedrijfprocessen. Welke technologie is het meest geschikt voor een bepaalde toepassing? In het voorgaande zijn al enkele namen gevallen, maar hier komen ze systematisch op een rij. De genoemde stereolithografie is een vorm van ‘vat fotopolymerisatie’, het uitharden van een vorm in een bad vloeibare, lichtgevoelige hars onder invloed van selectieve blootstelling aan licht. De methodiek van stereolithografie is al omschreven.

Een variant hierop is Direct Light Processing (DLP). In plaats van een laser is hier een digitaal scherm als lichtbron aan het werk. De bron projecteert in één keer het plaatje van een laag naar de juiste plek in de hars. Het laagsgewijs werkende DLP is normaal gesproken sneller dan het puntsgewijs werkende SLA. Continuous DLP voegt hier nog eens een continu opwaarts bewegend platform aan toe. De vat-processen maken gedetailleerde kunststof objecten met een glad oppervlak mogelijk. De producten – juwelen, alternatieven voor kleine oplages in spuitgieten en medische toepassingen – zijn wel vrij bros.

Extrusie

Bij extrusie wordt thermoplastisch materiaal door een spuitkop op een bouwplatform geperst, waar het gesmolten materiaal precies op de juiste plek uithardt. Door de spuitkop laag voor laag het patroon van een ontwerp te laten volgen, ontstaat het 3D-object. Fused Deposition Modeling (FDM) leidt een draad (filament) naar een verhitte spuitmond. FDM is snel en kosteneffectief en is daarom de meeste toegepast 3D-printmethode. Waar supernauwkeurige afmetingen belangrijk zijn, is het misschien niet de aangewezen techniek. Ook is het object niet helemaal homogeen; het heeft verschillende eigenschappen – zoals treksterkte – in verschillende richtingen.

Jetting

De eerste twee genoemde technieken zijn alleen geschikt voor kunststof. Jetting, te vergelijken met 2D inktjetprinten, werkt met polymeren, keramiek, metalen en was. Honderden minuscule spuitmondjes in een printkop vuren druppeltjes af die op de bedoelde plek neerkomen en samenklonteren, waardoor uiteindelijk het object wordt gevormd. Hierbij heeft het object dat ontstaat ondersteuning nodig, omdat het in dit stadium van de totstandkoming te weinig sterkte heeft. Die ondersteuning wordt vaak vanuit een tweede printkop tegelijk met het object geprint in een oplosbaar materiaal; Drop-On-Demand. Tijdens het uitharden van het object met UV-licht kan het ondersteunende materiaal verdwijnen. Een variant op Material Jetting is Nano Particle Jetting. Waarin metalen nanodeeltjes in een vloeistof in suspensie zijn gebracht. Door de hoge temperatuur in het opbouwgebied van het object verdampt de vloeistof. De detaillering, nauwkeurigheid en het gladde oppervlak maken jetting geschikt voor het maken van realistische prototypes. Goedkoop is de techniek niet.

Poederbedfusie

Poederbedfusie is een printmethode voor vernevelde metaalpoeders met een deeltjesgrootte van 20 tot 50 micron. Selective Laser Melting (SLM) maakt gebruik van een dergelijk poederbed. De technologie is een doorontwikkeling van Selective Laser Sintering, de eerste metaalprinttechniek. SLM is inmiddels uitgegroeid tot de meest toegepaste techniek om metaal te printen. Hierbij wordt metaalpoeder lokaal met behulp van laser gesmolten om zo na stolling laagje voor laagje een object te gaan vormen. Bij Electron Beam Melting past de printer een elektronenbundel in plaats van een laser toe. SLM kan tot interne spanningen in het materiaal leiden; EBM vindt bij een zo hoge temperatuur plaats, dat daarvan veel minder sprake is. De nauwkeurigheid is wel iets minder.

LeestipVergelijking tussen 3D-printtechhnieken SLA, FDM en SLS

Directe Energie Depositie (DED)

Directe Energie Depositie (DED) werkt zonder poederbed. Het maakt in vergelijking met poederbedfusie toepassing van grotere en daardoor goedkopere deeltjes als grondstof mogelijk, tot zo’n 150 micron. DED biedt de mogelijkheid om verspanende en additieve techniek te combineren tot een hybride systeem. Dit brengt het printen en direct nabewerken van een object binnen bereik. De flexibiliteit van DED komt naar voren uit het feit dat een producent in eenzelfde object de samenstelling van het materiaal kan variëren, als dit voor de benodigde eigenschappen gewenst is.
Ook DED is er in varianten. Laser Metal Deposition (LMD) brengt poeder naar een spuitmond. Rond die spuitmond wordt een omgeving van beschermend gas gecreëerd. Hierdoor is er geen speciale ‘werkruimte’ meer waarin de spuitmond zijn werk moet doen. Dat geeft veel vrijheid om grote objecten te maken. Het object en de spuitmond zijn vrij ten opzichte van elkaar te positioneren. Dat biedt eveneens de mogelijkheid om met deze techniek bestaande objecten te repareren door materiaal dat is verdwenen weer aan te vullen.
Laser Metal Deposition wire (LMDw) gebruikt, zoals de naam al aangeeft, geen poeder maar een metalen filament dat aan de spuitmond met beschermend gas wordt toegevoerd. De voordelen zijn dezelfde als bij LMD. LMDw is een snel proces, dat tot wel 11,5 kilo materiaal per uur kan verwerken. Het is eigenlijk een vorm van geautomatiseerd lassen – en dat is ook precies hoe het printresultaat eruit ziet. Nabewerking is dan ook nodig en kan worden geïntegreerd tot ‘hybrid welding’.
De derde variant is Rapid Plasma Deposition, een door Norsk Titanium gepatenteerde niche-techniek waarmee titaniumfilament met een plasmatoorts wordt gesmolten.

Binder Jetting

Binder Jetting werkt met een poederbed en met een printkop die druppeltjes lijm op het poeder spuit om objecten te vormen. Omdat het metaal niet gesmolten hoeft te worden, werkt deze technologie veel sneller dan de technologieën waarvoor dit wel nodig is. Voor prototypes kan het voldoende zijn om deze objecten van lijm en metaalpoeder met een hoge resolutie te gebruiken. Voor structurele onderdelen zijn deze gelijmde metaaldeeltjes niet sterk genoeg, maar via hittebehandeling is het mogelijk de lijm te verwijderen en de metaaldeeltjes alsnog te laten samensmelten. In die processtap kunnen overigens grote hoeveelheden producten tegelijk worden behandeld, waardoor deze stap niet heel erg belemmerend hoeft te zijn.

Leestip: Misvattingen rond additive manufacturing

3D-metaalpoeder 

Materiaalcombinaties

Voor de productie van unica en producten in kleine series is het inmiddels moeilijk om het cluster aan additieve productietechnologieën te negeren. De keuze aan materialen is zo groot, dat dit ook nauwelijks een belemmering meer kan vormen. Naast de vanaf het begin bestaande mogelijkheid om vormen te creëren die met andere technologieën onmogelijk zijn, is het nu ook mogelijk om materiaalcombinaties te maken en materiaalvariatie binnen één component te realiseren. De ontwikkelingen gaan snel; wat vandaag niet mogelijk is, zal het morgen wel zijn. Ondertussen is de kans groot dat ook vandaag al veel meer kan dan de meeste bedrijven zich realiseren.

Tekst: Leendert van der Ent

Reageer op dit artikel