De Specialist: ‘Kwaliteit van 3D-geprinte producten’

Er is veel belangstelling voor 3D-printen, ofwel additieve manufacturing (AM) en de ontwikkelingen daarin gaan zeer snel. Vooral het aanbod van steeds betere machines met meer mogelijkheden is groot. Voor de metaalindustrie is het 3D-printen van metaal natuurlijk de belangrijkste loot aan deze stam.

Minder vaak is er aandacht voor de kwaliteit van metalen 3D-geprinte producten. Immers de 3D-printtechnieken zijn grotendeels een variant op gieten en lassen en leveren dus ook een gietstructuur in het product af. Uit ervaring weet men dat gietstructuren altijd bros zijn en ook kunnen kampen met porositeit. Ook de buitenkant van een 3D-geprint product heeft niet de gladde afwerking zoals de meeste metaaltechnieken wel opleveren en laten vaak ook nog de lagenstructuur zien waarmee het product is opgebouwd.

Het zal duidelijk zijn dat als een gietproduct vervangen wordt door een 3D-geprint product deze brossere gietstructuur geen probleem zal zijn, immers het ‘originele’ product had dit ook. En gietproducten worden ook afgewerkt (afbramen, stralen en eventueel verspanen), dus ook de buitenkant van het 3D-geprinte product zal in dit geval geen belemmering zijn.

HIP

Maar verspaande producten of smeeddelen, producten dus waaraan hoge eisen qua structuur, sterkte, vermoeiing en eventueel oppervlaktegesteldheid worden gesteld, kunnen dus in principe niet zomaar door 3D-printen vervaardigd worden. Wel kan de materiaalkwaliteit van een 3D-geprint product sterk verbeterd worden door HIP (Heet Hydrostatisch Persen). Hierbij wordt een product onder hoge gas- of vloeistofdruk gebracht bij een hoge temperatuur, zodat porositeit in het materiaal dichtgedrukt wordt. Het is al een oudere techniek om de materiaalkwaliteit van gietstukken sterk te verbeteren. Een smeedkwaliteit verkrijgt men niet, maar voor veel producten geeft HIP al voldoende verbetering. Het nadeel is natuurlijk dat een extra proces met een langere procestijd het productieproces weer duurder en langer maakt.

Een nieuwe ontwikkeling blijkt het toepassen van ultrageluid in het 3D-printproces zelf. Onderzoek toont aan dat hiermee een andere (betere) kristalstructuur in het geprinte materiaal ontstaat. Ook hierdoor zal een betere kwaliteit van het product ontstaan. Een groot voordeel omdat het product na het 3D-printen niet meer geHIPt hoeft te worden en direct een goede materiaalkwaliteit zal bezitten. Helaas zal de metaalindustrie moeten wachten op productiemachines die met deze nieuwe techniek werken.

Kwaliteit

De ontwikkelingen op 3D-printgebied zijn dus lang nog niet ten einde, er zal nog veel moeten gebeuren om de kwaliteit van de geprinte producten voor algemeen gebruik te verhogen tot een aanvaardbaar niveau. Maar er is nog een andere hindernis te gaan: de kwalificatie van 3D-geprinte producten. Immers net zoals bij het lasproces, wordt de materiaalkwaliteit en dus de productkwaliteit geheel bepaald door het uitgevoerde printproces en de ingestelde printparameters. Dat betekent dat in een serie alle producten in kwaliteit van elkaar kunnen verschillen en dat de producten pas na productie gemeten kunnen worden of ze aan de eisen voldoen.

De oplossing hiervoor is op zich niet moeilijk: kijk maar naar het lassen. Hier is een compleet systeem met lascoördinatie, lasserkwalificatie, proceskwalificatie, niet-destructief onderzoek, materiaalattesten etc opgezet om een bepaalde laskwaliteit te halen en aan te tonen. Het hele systeem is genormeerd. Dit kan voor 3D-printen zo overgenomen en aangepast worden omdat de meeste metaalprinttechnieken sterk op lassen lijken. Een nadeel is wel dat alle marktpartijen hieraan actief moeten bijdragen en het systeem ook moeten gaan accepteren. Daarnaast mag dit systeem de flexibiliteit en de mogelijkheden van 3D-printen niet teveel gaan hinderen.

Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat de kwaliteit van metalen geprinte producten over het algemeen een gietkwaliteit halen. Ook producten waaraan geen hoge materiaal eisen worden gesteld (bijvoorbeeld door overdimensionering, zoals hydraulische regelblokken), kunnen aanvaardbaar geprint worden. De materiaalkwaliteit kan met het HIP-proces sterk verhoogd worden, maar het product wordt dan weer duurder. Nieuwe ontwikkelingen zoals het toepassen van ultrageluid zijn veelbelovend, maar moeten nog in productiemachines toegepast gaan worden. En de markt zal moeten gaan beginnen met het opzetten en normeren van een kwalificatiesysteem voor 3D-printen. De markt lijkt me daar groot genoeg voor.

Contact over dit onderwerp? www.vraagenaanbod.nl/thema/specialist/ of hartgers@pkm.nl