Alternatieven voor dure 3D-metaalprinters

Desktop Metal en Markforged zijn de twee Amerikaanse spelers die hierop inzetten. Ze zijn in de VS al gestart met de uitlevering van hun 3D-printers; Europa volgt dit najaar. Beide bedrijven baseren zich op het principe van extrusie. Ze gebruiken een materiaal dat vooral bestaat uit metaalpoeders, ingepakt in een polymeer. Je kunt het materiaal vergelijken met dat voor Metal Injection Moulding, het spuitgieten van kleine metalen componenten. Net als bij FDM-printen wordt het materiaal in de printkop gesmolten en zo wordt laagsgewijs het product opgebouwd.

Omdat je een mix van metaal met polymeer print, ontstaat niet direct het eindproduct. Na een speciaal reinigingsbad, waarin al een deel van de kunststof wordt verwijderd, volgt een sinterproces in een oven. Hierbij wordt het restpolymeer uitgebrand en worden de metaaldeeltjes zo sterk verwarmd dat ze net niet smelten, maar zich wel met elkaar verbinden. In deze fase van het proces ontstaat het definitieve product. Het nadeel is de onvermijdelijke krimp. Beide fabrikanten zeggen deze goed te beheersen, zodat men bij de printjobvoorbereiding vrij nauwkeurig kan aangeven welke maatvoering men tijdens het printen moet aanhouden om uiteindelijk een correct product over te houden.

Het voordeel van het sinteren is wel dat de mechanische eigenschappen in alle drie de richtingen nagenoeg gelijk zijn. En dat er tijdens het printen geen spanningen in het werkstuk ontstaan. Vergeleken met de klassieke 3D-metaalprinters die met poeders werken, is deze technologie schoon. Het materiaal zit in afgesloten cartridges, dus geen omslachtige poederhandling. Het wisselen van materiaal gebeurt door een cartridge te verwisselen. Nadeel hiervan is wel dat men de materialen bij de printerfabrikant moet kopen. Tweede voordeel van de techniek is dat gewerkt wordt met materialen die hun oorsprong vinden in de MIM-technologie. Hiervoor zijn al veel legeringen beschikbaar.

Wat betreft de investeringen in een compleet systeem, moet gedacht worden aan zo’n 125.000 euro voor 3D-printer en oven. Een goedkoper alternatief is het speciale Ultrafuse 316 LX filament van BASF. Dit is enigszins vergelijkbaar, met als belangrijkste verschil dat het filament verwerkt kan worden op een betere FDM-printer, die echter niet meer hoeft te kosten dan zo’n 5.000 tot 10.000 euro. Verwacht echter geen hoge nauwkeurigheden en gladde oppervlakken. Een ander verschil is dat BASF geen warmte gebruikt om het polymeer uit te branden, maar een katalytisch proces.

HP en Stratasys

Niet alleen Desktop Metal en Markforged zoeken naar nieuwe markten voor 3D-metaalprinten. Dit najaar komen twee grote spelers met hun eigen techniek op de markt. HP is de ene fabrikant, Stratasys de andere. Concrete data noemen ze nog niet, maar met de IMTS als grote metaalmachinebeurs in Chicago direct na de zomer, ligt het voor de hand dat ze daar meer gaan tonen. De basis van de Stratasys-technologie is afkomstig van de PolyJet printers. Ook HP gaat een jettingtechnologie gebruiken. De onlangs opgestapte topman van Stratasys Ilan Levin zei in mei nog dat Stratasys de kosten voor 3D-metaalprinten met zo’n 80 procent wil verminderen, vergeleken met de poederbedtechnieken (lasersmelten). ‘Onze unieke benadering zorgt voor functionele onderdelen met een dichtheid en een isotropie die significant hoger is dan bestaande additieve systemen, met bijna identieke chemische samenstelling als onderdelen gemaakt met conventionele methoden.’

De Amerikaanse printerfabrikant mikt vooral op producten die in kleine series worden gemaakt, nu veelal met giettechnologie. Vooral qua oppervlakteruwheid zullen deze werkstukken niet zo goed scoren als de bekende 3D-geprinte onderdelen. Toch ziet Bernhard Langefeld, AM-consultant bij Roland Berger, hier geen probleem in. Evenmin in het feit dat de kwaliteit iets lager zal liggen en minder goed controleerbaar is dan bij een lasersmeltmachine. ‘Niet elk onderdeel is een onderdeel van een gasturbine.’  

Goedkope poederbedmachine

En dat is ook wat de onderzoekers van het Fraunhofer ILT voor ogen hebben gehad toen ze enkele jaren geleden gestart zijn met de ontwikkeling van een goedkope 3D-metaalprinter die wel op de poederbedtechnologie gebaseerd is. Inmiddels heeft het Fraunhofer deze activiteit verzelfstandigd en heeft Laser Melting Innovations (LMI) in Aken de eerste machines uitgeleverd aan klanten voor een uitgebreide testperiode. ‘Het mkb is bang de trend te missen. Ze beseffen dat disruptieve technologieën de branche ingrijpend kunnen veranderen, maar ze kunnen niet zoveel investeren in metaalprinten’, zo vatte Mirjam Knothe, CEO van Laser Melting Innovations het dilemma van veel bedrijven samen tijdens het lasercongres AKL ’18, afgelopen voorjaar.

LMI biedt daarom met de Alpha 140 een betaalbaar alternatief. Het bouwplatform meet 140 mm doorsnede en de cilinder is 200 mm hoog. De dure watergekoelde fiberlaser is vervangen door een luchtgekoelde diodelaser, waardoor het focussen minder nauwkeurig hoeft te zijn. Daardoor heeft men het tweede dure onderdeel, het galvospiegelsysteem, kunnen vervangen door een robuust maar eenvoudig gantrysysteem. De eerste machines worden momenteel verkocht voor ongeveer 85.000 euro. En dat is zelfs onder de prijs van die voor de OR Creator, die twee jaar geleden werd geïntroduceerd en waar op dit moment een hybrideversie van leverbaar is. Deze laatste combineert het 3D-metaalprinten van fijnmechanische onderdelen met het nabewerken met een minifrees. Nadat een bepaald aantal lagen zijn geprint, wordt het werkstuk nagefreesd en dan gaat de machine verder met 3D-printen.  

3D-printen: de stand van zaken

Er wordt veel geroepen en geschreven over 3D-printen. De echte doorbraak laat echter nog op zich wachten, afgezien van sectoren zoals de luchtvaartindustrie en de medische sector waar de technologie wel zijn weg naar serieproductie begint te vinden. Deze zomer brengt Vraag & Aanbod een serie artikelen waarin zowel wordt ingegaan op de ontwikkelingen bij de verschillende technieken en materialen maar waarin ook de relatie wordt gelegd tussen smart industry en 3D-printen. Zorgt de digitalisering van de maakindustrie er uiteindelijk voor dat 3D-printen een standaard productietechnologie wordt?

Eerder (Vraag & Aanbod, week 28/29) verscheen al een artikel over Direct Energy Deposition, zoals de officiële term is voor 3D-lasercladden. In dit deel 2 (ook in de papieren editie Vraag & Aanbod, week 30/31) werd ingegaan op goedkopere alternatieven voor het klassieke poederbed proces. Deel 3 is het laatste deel en gaat over het printen met kunststof, dat in een toenemend aantal toepassingen een volwaardig alternatief voor metalen onderdelen kan opleveren.