3D-printers nog niet trilling-proof

De marof-studenten Vincent van Driel, Paul Zaal en Sean Zevenbergen en student technisch werktuigbouw Terence de Wolff, presenteerden het onderzoek 23 april op het Maritiem Symposium van het STC. Zij maakten duidelijk dat inzet van 3D-printers in de machinekamer op grote problemen stuit, die maar ten dele worden veroorzaakt doordat de techniek nog in de kinderschoenen staat.

Zo hebben 3D-printers voor het maken van metalen onderdelen met voldoende mechanische sterkte het formaat van een kleine mediumspeed hoofdmotor. De S-Print Furan 3D-printer van het Amerikaans-Duitse ExOne weegt bijvoorbeeld 3.500 kilo en meet 3,70 bij 2,50 bij 2,80 meter. Daarmee kunnen dan onderdelen met een maximale afmeting van 40 bij 50 bij 80 centimeter worden geprint. De printers zijn bovendien erg duur. Zo hingen aan op de jaarlijkse RapidPro-beurs in Veldhoven getoonde industriële 3D-metaalprinters prijskaartjes van 1 tot 3 miljoen euro. ‘De prijs hangt sterk af van het maximale printformaat en de maximale nauwkeurigheid (resolutie) waarmee het apparaat print’, zegt Sean Zevenbergen. ‘Er zijn wel goedkopere printers, maar die leveren niet de gewenste kwaliteit. Daar komen de kosten van materiaal en het opleiden van personeel dan nog bij. Het invliegen van een onderdeel per helikopter is dan sneller en goedkoper.’

Energievreters

De verwachting is wel dat 3D-metaalprinters de komende decennia compacter en goedkoper worden. ‘Maar dan zijn ze nog steeds ongeschikt voor gebruik op schepen. De printers zijn gevoelig voor trillingen, zoals van scheepsmotoren en voor door golfslag veroorzaakte bewegingen’, aldus Zevenbergen. De 3D-metaalprinters verbruiken daarnaast veel energie om de voor het printen gebruikte metaalkorrels of poeders te smelten. De printkop doet dat door met een elektronen- of een laserstraal het onderdeel laagje voor laagje op te bouwen door de korreltjes op de juiste plekken met elkaar te versmelten (SLM-methode en Electron Beam Melting) of aan elkaar te sinteren (SLS-methode) in een volledig zuurstofvrije printruimte, om oxidatie te voorkomen. Als grondstof gebruiken de printers korreltjes met legeringen van onder meer kobalt-chroom, ijzer-chroom-aluminium, nikkel-chroom, wolfraam-koolstof en RVS 316. Om een breed scala aan onderdelen te kunnen maken moet een groot aantal legeringen op voorraad worden gehouden.

Certificering

Certificering van aan boord geprinte onderdelen is ook een probleem. ‘Wanneer een motorfabrikant een onderdeel produceert wordt de kwaliteit tijdens het maakproces continu gecontroleerd. Dat begint al bij de kwaliteit van het gebruikte staal. Bij een 3D-printer op zee is dat lastig en de vraag is of motorenbouwers, klassenbureaus en verzekeringen zo’n onderdeel accepteren. Er worden sinds kort vliegtuigonderdelen geprint, maar dat gebeurt niet op zee en die onderdelen worden uitvoerig getest voordat ze worden geïnstalleerd.’ Het bedienen van de 3D-printers en het werken met software om 3D-tekeningen te maken voor deze printers is bovendien geen sinecure. ‘Om het werkend te maken moeten er van elk onderdeel materiaalgegevens zijn’, aldus Zevenbergen. ‘Naast een 3D-model moeten de mechanische eigenschappen, de materiaaldichtheid enzovoorts bekend zijn. Wanneer men aan boord snel een niet leverbaar onderdeel nodig heeft, kan men dat beter laten printen bij een gespecialiseerd bedrijf aan land. Onze visie op de toekomst is dat er in elke haven een locatie is die alle type printers en materialen heeft om te printen, zodat, wanneer er iets stuk gaat of nodig is, informatie naar de dichtstbijzijnde haven of aanloophaven kan worden gestuurd door middel van een STL-file, waarmee het product kan worden geprint. In Amerika kan dit al. Daar is een netwerk met printlocaties waarmee kan worden bepaald welke printer met de juiste eigenschappen beschikbaar is.’

Momenteel zijn deze printers nog dun gezaaid. Margo Verhoef, van RapidPro, verwacht echter dat 3D-metaalprinters steeds vaker opduiken in machinefabrieken, naast de cnc-gestuurde draaibanken en frezen.

Kunststof

De 3D-printers voor kunststof onderdelen zijn aanzienlijk kleiner en goedkoper dan de 3D-metaalprinters en lijken ook minder gevoelig te zijn voor bewegingen.

Een professionele printer voor kunststof onderdelen kost nu rond 25.000 euro. De Amerikaanse marine gebruikt ze al voor het maken van eenvoudige onderdelen, zoals koelvinnen en pakkingen en Maersk test er één op een grote tanker. De eerste resultaten zijn echter teleurstellend. ‘Dat hebben we gehoord van zeelieden die bij Maersk varen. Er zijn teveel verstoringen door bijvoorbeeld trillingen, waardoor het geprinte onderdeel mislukt. Het lukt bijvoorbeeld niet om een draaiend pomponderdeel te printen. Producten als knopjes en kapjes lukken wel, maar dat is niet het doel. Hieruit kunnen we concluderen dat het niet werkt voor machine-onderdelen’, stellen de vier studenten.

Groeimarkt

De wereldwijde markt voor 3D-printers groeit naar verwachting van zes miljard nu naar 20 miljard euro in 2020. Zo verwacht Airbus vanaf 2018 maandelijks 30 ton 3D-geprinte metalen onderdelen voor vliegtuigen te produceren. In 2016 moeten de eerste gecertificeerde serieproducten van titaan worden geprint en vanaf 2017 de eerste aluminium onderdelen. In Nederland staan professionele 3D-printers bij printshops als Oceanz en Shapeways en op de R&D-afdelingen van Shell, Philips, AddLab, TNO en NLR.

Cecimo, de Europese associatie van machinebouwers, organiseert 23 juni in het gebouw van het Europees Parlement een conferentie over industrieel gebruik van 3D-printers onder de titel ‘Additive Manufacturing European Conference’.

i               www.rapidpro.nl; www.cecimo.eu;

                www.exone.com; www.renishaw.nl;

                www.maritimesymposium-rotterdam.nl