Ken de beperkingen van 3D metaalprinten

De simplistische uitleg van 3D printen in mainstream media zorgt voor overdreven verwachtingen en dito teleurstellingen. Ook bij metaalprinten. De mogelijkheden zijn groot. De beperkingen mag je evenwel niet negeren. Vroeg in het engineeringproces moet je het ontwerp afstemmen op wat mogelijk is en wat niet, schreef Rein van der Mast in 3D Print magazine en tot 1 september 2016 Manager Design & Engineering bij Additive Industries.

 

Solution: 

3D metaalprinten kent niet alleen mogelijkheden, maar ook beperkingen. De nauwkeurigheid, dichtheid en oppervlaktekwaliteit zijn bij 3D printen in metaal lang niet zo hoog als bij veel conventionele vervaardigingstechnieken. Dat hoeft niet erg te zijn, als je er in het ontwerp maar rekening mee houdt. Bovendien is het mogelijk de beperkingen van het 3D metaalprinten deels te omzeilen door het ontwerp nadrukkelijk erop af te stemmen.

AM paradigma

Het metaalprinten kent verder nogal wat haken en ogen. Als je optimaliseert naar de dichtheid, gaat dat al snel ten koste van de positienauwkeurigheid en mate waarin details tot hun recht komen. Minder ondersteunende structuren resulteren in minder printtijd, minder afval, minder poeder dat achter blijft en verloren gaat en niet in de laatste plaats minder werk om het werkstuk en de ondersteuning van elkaar te scheiden. Daar staat tegenover dat meer support structures het werkstuk bij het printen beter op zijn plaats houden. En door spanningsarm te gloeien voordat het werkstuk wordt losgenomen, is de vorm uiteindelijk beter te krijgen. Meer dan bij conventionele vervaardigingstechnieken het geval is, dient de ontwerper zich op zijn minst bewust te zijn van alle aspecten op het vlak van de werkvoorbereiding. Bij het 3D metaalprinten gaat het dan vooral om werkstukoriëntatie, support structures en de wijze waarop de laser iedere laag beschrijft. Denk bij het laatste aan snelheid, vermogen, afstand tussen de lijnen, verdeling in gebieden met verschillende printvoorkeuren, het al dan niet schrijven van contouren enzovoort.
De onderlinge afhankelijkheid van de variabelen die een rol spelen heb ik het AM Paradigma gedoopt. Een stelstel van zaken die elkaar beïnvloeden, gewild en - helaas vaker - ongewild. Draai je aan de ene knop, dan draaien andere knoppen vaak onbedoeld mee, de verkeerde kant op. 3D printen moet je daarom zien als complementaire vervaardigingstechniek, naast de conventionele vervaardigingsoplossingen. En vaak vallen ze goed te combineren.

Invloed temperatuur

Het poederbed metaalprinten is lang niet zo simpel als het printen in bijvoorbeeld PA12. Dat komt vooral doordat de temperatuurverschillen in de bouwkamer groot zijn. Op een snel voortbewegend plekje, waar de laser het poederbed raakt, is het zo warm dat het poeder er vloeit, terwijl het omliggende gebied aanzienlijk koeler is. Dat heeft twee redenen. Ten eerste zouden de kristallen in het metaal veel te ver doorgroeien als de temperatuur van het werkstuk net onder het smeltpunt zou worden gehouden. Dat zou afbreuk doen aan de mechanische eigenschappen. Daarnaast zou dit een veel complexere en dus duurdere machine vergen dan de huidige machines, die toch al snel honderdduizenden euro’s kosten.

Lattices

Ook digitaal is 3D printen geen sinecure. Voor de pennendoos van mijn 3D geprinte vulpen heb ik destijds via laser sintering in PA12 een roggehuid geprint. Daarvoor ben ik uitgegaan van een foto van een stuk roggehuid die ik vertaald heb naar een naadloos aaneen te zetten patroon. Zwart stond voor 0,4 mm onder het nominale oppervlak, wit deed niets, en grijstinten iets er tussenin. Door die informatie bij het genereren van de printfile in 3-matic van Materialise te verenigen met de vorminformatie van het werkstuk, zijn deze data in CAD overbodig. Dat scheelt heel veel data. Eenzelfde benadering bestaat nu met lattices. Lattices of fijne, sponsachtige, ruimtelijke structuren worden steeds populairder. Als je een lattice definieert als een netwerk van rechte lijnen, waarbij je aangeeft wat de diameter is aan het begin en aan het einde van iedere lijn, en die informatie pas ruimtelijk maakt bij het genereren van de printfile, kun je de hoeveelheid data beperken.

Nieuwe generatie engineers

In de masterclass die ik regelmatig verzorg, confronteer ik de deelnemers met welke functionaliteit zoal te integreren valt. Ik probeer het 3D printen te verbinden met de eigen omgeving, want vaak wordt dat verband niet gelegd. Tegen constructeurs die al wat langer meegaan, zeg ik: maak je los van de technieken waar je je zeker bij voelt. Ga de uitdaging aan. Soms denk ik dat de doorbraak in toepassingen pas loskomt met een nieuwe generatie ontwerpers. Jongens en meisjes die al in hun jeugd een 3D printertje binnen handbereik hadden. We staan sowieso nog maar aan het begin. In combinatie met conventionele technieken, toenemende personalisatie en nieuwe bedrijfsmodellen is er heel veel meer mogelijk. Mits je je bewust bent van de beperkingen en daar in het ontwerp op ageert. Vraag je pas als het ontwerp klaar is of men gaat frezen en printen, dan vraag je om teleurstelling.

 

Result: 

Rein van der Mast heeft als manager Design & Engineering  gewerkt bij Additive Industries. Daar is hij betrokken geweest bij de ontwikkeling van de Metalfab1. Rein is echter vooral met de deelnemers aan Addlab aan de slag gegaan met industrieel 3D poederbed metaalprinten. Hij volgt additive manufacturing al zo’n 20 jaar, vanaf de tijd dat nog over time compression technologies (TCT) werd gesproken. Zijn eerste ervaring met het 3D printen deed hij op bij een kleine producent van consumentenproducten. “Ik voerde er 3D CAD in en ging prototypes printen. Daarmee vielen meer iteraties te maken, met meer tussentijdse terugkoppeling als gevolg en een verminderd risico dat bij productontwikkeling altijd bestaat.” Hoewel minder snel dan hij verwachtte, is de belangstelling voor 3D printen inmiddels sterk toegenomen. “Opeens wist Jan en alleman wat van 3D printen. Zelfs omaatjes die zo’n ding bij de Bijenkorf zagen staan, konden te vertellen wat het deed. De media had het opgepakt, maar iedere nuance ontbrak, waardoor niet alleen de bekendheid toenam, maar ook onrealistische verwachtingen werden gewekt.”

In 2013 bracht hij ’s werelds eerste 3D geprinte vulpen uit. De pen was geprint in titanium, de pennendoos in PA12. Met zijn pen stond hij in 2013 op RapidPro. Daar kwamen ook de oprichters van Additive Industries. “Zij realiseerden zich dat het ontwerpen van efficiënt in metaal te printen voorwerpen een specialisme is.” Voor Rein van der Mast is de 3D geprinte vulpen een proof of concept van wat mogelijk is met additive manufacturing. De vulpen  bevat alles waar deze techniek om gaat: functie-integratie, voorkomen van kostbare assemblage, customization. De pen illustreert ook de complexiteit van additive manufacturing, zeker als het om 3D metaalprinten gaat. Binnenkort brengt hij een nieuwe 3D geprinte vulpen uit. Reins wens is een 3D print Wiki op te zetten: studenten, onder leiding van een redactie, vullen de inhoud continu aan, verdienen daarmee studiepunten en verdiepen zich in een van de vele onderwerpen die met het 3D printen te maken hebben. Het bedrijfsleven heeft toegang in ruil voor een abonnement.

Meer over 3d printing