Bruchem
25 Jan. 2018
5 minuten
Het Nederlandse Layertec heeft als leverancier van 3D-printers onlangs twee nieuwe systemen van het Amerikaanse Desktop Metal geïntroduceerd die volgens het bedrijf de productie van metalen onderdelen fundamenteel gaat veranderen. En dat alles tegen een fractie van de prijs van 3D-laser metaalprinters.
De één is de eerste 3D-metaalprinter die zonder veiligheidsmaatregelen ook gewoon op kantoor voor prototyping is te gebruiken, de tweede is een 3D-metaalprinter voor massaproductie die honderd keer sneller is dan de huidige 3D-laser metaalprinters.
Layertec is leverancier van hoogwaardige 3D-printers voor de professionele markt in de Benelux. Directeur van het bedrijf is Arnaud Kooij. Volgens Kooij zorgen de twee systemen, het Studio System en het Production System, van het in 2015 opgerichte Amerikaanse Desktop Metal ervoor dat ‘3D-metaalprinten bijzonder interessant wordt voor de industrie’. Kooij vergelijkt de huidige 3D-metaalprinters met de computers uit de jaren zeventig. Zo zijn er voor de huidige systemen voor 3D-metaalprinten dikwijls explosieveilige kamers nodig met afzuiging. ‘Tot nu toe voldeed 3D-metaalprinten niet aan de hedendaagse productiebehoeften van fabrikanten, vanwege de hoge kosten, trage processen en de gevaarlijke materialen. Met het Production System en Studio System kan er nu wel aan deze productiebehoeften worden voldaan. Dit maakt flexibele prototyping, kleine series en massaproductie met 3D-metaalprinters voor het eerst rendabel voor bedrijven. De Desktop Metal printers zijn namelijk speciaal ontwikkeld om op veilige wijze en op grote schaal complexe, sterke metalen onderdelen te produceren. De technologie verlaagt de aanschafkosten enorm, terwijl de snelheid, veiligheid en printkwaliteit vele malen beter is.’
Studio System
Omdat de huidige high-end 3D-laser metaalprinters selectief metaalpoeder smelten en hiervoor dus gevaarlijke poeders, lasers en snijgereedschappen worden gebruikt, kunnen deze printers alleen in omgevingen met speciale condities worden gebruikt. Het Studio System van Desktop Metal daarentegen is de eerste 3D-metaalprinter die zonder aanvullende veiligheidsmaatregelen op kantoor is te gebruiken. De printer kan op deze manier dus direct naast het bureau van de designer worden geplaatst. Dat komt omdat deze 3D-printer een eigen proces gebruikt, namelijk Bound Metal Deposition (BMD). Dit proces werkt op een vergelijkbare manier als een plastic FDM printer. Dit Fused Deposition Modeling (FDM) proces wordt momenteel gezien als het meest veilig.
De Studio Printer verhit en extrudeert speciaal ontworpen gebonden metalen staafjes op vergelijkbare wijze als een plastic FDM printer. Het te printen product wordt zo laag voor laag geprint. Dat gebeurt met een laagdikte van 50 μm en een snelheid van 16 cm³ per uur. Het maximale bruto formaat van het product bedraagt 30 x 20 x 20 centimeter. Na het sinteren blijft daar vanwege de 20 procent krimp 24 x 16 x 16 centimeter van over.
Met de hand
Omdat Studio System gebruik maakt van cloud-based software om de gehele workflow te stroomlijnen is continue bediening van de 3D-metaalprinter overbodig. Door het gebruik van een tussenlaag van keramiek kunnen de printondersteuningen eenvoudig met de hand worden verwijderd. Bij andere systemen moet dit nog steeds machinaal gebeuren. De cartridges met staafjes metaal zijn eenvoudig en veilig te wisselen in minuten in plaats van uren. Bij de introductie van het systeem zijn cartridges beschikbaar met zeven verschillende metalen. Zo’n dertig legeringen zijn in ontwikkeling. Dit moet er voor zorgen dat de designer zijn ontwerpen kan printen in hetzelfde materiaal als het eindproduct.
Omdat het Studio System gebruik maakt van BMD, kosten deze 3D-metaalprinters volgens Layertec nog maar een tiende van de prijs van de huidige 3D-metaalprinters.
Sinteroven
Nadat het printen gereed is, maakt de software van het Studio System een zogenoemd sinterprofiel aan. Want naast de printer bestaat het systeem ook uit een sinteroven. Het is de eerste sinteroven die geschikt is voor kantoorruimtes. Want ondanks de maximale temperatuur in de oven van 1400 °C, blijft volgens Kooij de temperatuur van de buitenkant van de oven zo laag dat je er makkelijk een hand op kan leggen.
De volledig geautomatiseerde oven is voorzien van een thermisch gecontroleerd regelsysteem. Nadat het primaire bindmiddel in de zogenoemde ‘debinder’ is verwijderd, worden de geprinte onderdelen gesinterd. Dat gebeurt in de oven door het combineren van verwarmingselementen met krachtige microgolven als in een magnetron. Hierbij reguleert de oven de temperatuur specifiek voor ieder materiaal en printopdracht. Door gelijkmatige verhitting net onder het smeltpunt, wordt het bindmiddel verwijderd en worden metalen deeltjes gefuseerd tot volledig dichte onderdelen. De dichtheid die hiermee wordt bereikt ligt tussen de 96 tot 99,8 procent. Dat is vergelijkbaar met de dichtheid bij Metal Injection Moulding (MIM). Dat zorgt volgens Layertec voor gesinterde onderdelen van industriële kwaliteit zonder restspanning, zoals bij 3D-laser metaalprinters wel het geval is.
Massaproductie
In tegenstelling tot het Studio System, dat vooral geschikt is voor het maken van prototypes, is het Production System van Desktop Metal bedoeld voor de massaproductie van metalen onderdelen in hoge resolutie. Het Single Pass Jetting (SPJ) van het Production System is volgens Layertec met een printsnelheid tot 8.200 cm³ per uur zo’n honderd keer sneller dan de huidige 3D-laser metaalprinters. Metalen onderdelen worden hierdoor in minuten geprint in plaats van in uren. Kooij liet in een video zien dat het systeem in één dag 560 onderdelen voor een waterpomp voor autofabrikant BMW kan printen. Met andere technieken zou dit beperkt blijven tot twaalf stuks. De hoge snelheid wordt bereikt doordat Single Pass Jetting in twee richtingen werkt. Door alle benodigde stappen voor 3D-metaalprinten te combineren, wordt er bij elke beweging geprint. Twee printbars, met meer dan 32.000 jets over de volledige breedte, werken samen met verspreiders om het metaalpoeder in één enkele snelle beweging over het bouwplatform te verspreiden en te printen. Daarvoor worden een miljoen druppels per seconde gebruikt. Het betaalbare metaalpoeder en het feit dat nabewerking vrijwel niet nodig is, zorgt ervoor dat het Production System tot wel twintig keer goedkoper is dan hedendaagse 3D-metaalprintsystemen. Pas bij aantallen van boven de 100.000 stuks wordt volgens Kooij gieten goedkoper.
Kosten
Het complete Studio System gaat ongeveer 120.000 euro kosten. Dit systeem is leverbaar vanaf het tweede kwartaal van 2018. Het Production System van Desktop Metal is vanaf 2019 te bestellen en gaat dan inclusief oven tussen de 400.000 en 500.000 euro kosten.