De evolutie van HP's 3D-printtechnologie:van polymeer tot metaal AM 

HP gaat op volle kracht vooruit met zijn 3D-printstrategie. Sinds de eerste stap in Additive Manufacturing (AM) in 2016, heeft het bedrijf meerdere polymere 3D-printsystemen gelanceerd en, meer recentelijk, Metal Jet-technologie geïntroduceerd.

Om gelijke tred te houden met de vorderingen in HP 3D-printen, onderzoeken we hieronder de evolutie van de technologie en wat dit betekent voor de toekomst van de 3D-printindustrie.

Zijn teen onderdompelen in 3D-printen 

3D-printen heeft veel toetredingsdrempels, zowel vanuit economisch, technologisch als personeelsstandpunt.

Veel industriële 3D-printers lopen bijvoorbeeld nog steeds achter op traditionele apparatuur wat betreft snelheid en efficiëntie. Dan is er ook een steile leercurve voor het beheersen van AM. Maar de grootste barrière voor adoptie ligt misschien in de substantiële investeringen die nodig zijn om AM op de productievloer te krijgen.

HP begon zijn AM-reis om 3D-printen te democratiseren door bedrijven radicaal hogere bouwsnelheden, hoogwaardige functionele onderdelen en baanbrekende economie te bieden.

Deze reis leidde tot de lancering van Multi Jet Fusion in 2016. 

HP Multi Jet Fusion (MJF) is een Powder Bed Fusion (PBF)-technologie, wat betekent dat het plastic poeder gebruikt om onderdelen te maken. Het MJF-proces begint met het verspreiden van een dunne laag poeder over het bed van de printer.

Een smeltmiddel, ontworpen om infrarode energie te absorberen, wordt over het bed gespoten en volgt de contouren van het onderdeel.

Deze stap wordt gevolgd door het toepassen van het infraroodlicht dat de gebieden verwarmt met het smeltmiddel, smelt en smeltpoeder in die gebieden. Laag voor laag wordt het proces herhaald, waarbij het onderdeel langzaam wordt opgebouwd.

Met zijn MJF-technologie introduceerde HP een nieuwe maatstaf in polymeer PBF 3D-printen. Om te beginnen bereiken MJF-machines consistentere mechanische eigenschappen, hogere processnelheid en hogere nauwkeurigheid dan vergelijkbare processen zoals Selective Laser Sintering (SLS).

Bij het vergelijken van de kosten van de MJF- en SLS-onderdelen, Xometry, een online productiemarktplaats, ontdekte dat het produceren van een onderdeel met MJF 30 procent minder kost om te printen dan zijn SLS-tegenhanger. En dit verschil neemt toe naarmate het volume van de onderdelen groeit, dankzij het vermogen van de HP MJF-printer om meerdere onderdelen tegelijk af te drukken.

Op weg naar geïndustrialiseerd 3D-printen van polymeren 

In veel opzichten revolutionair, HP's MJF-technologie was vanaf het begin gericht op functionele prototyping en volumeproductie.

Het eerste Jet Fusion (JF) 3D 4200-systeem van het bedrijf, dat eind 2016 werd gelanceerd, heeft een reputatie opgebouwd als een van de beste kleine productiemachines in zijn klasse van PBF-systemen.

Bestaande uit de printer, het koelstation en twee build units, is het JF 4200 systeem gericht op het zo veel mogelijk stroomlijnen van de print- en post-processing stappen.

De verwisselbare bouweenheden zijn bijzonder handig, omdat ze een continu printproces mogelijk maken, doordat ze van de printer rechtstreeks naar het nabewerkingsstation kunnen worden verplaatst voor koeling en reiniging zodra het printen is voltooid.
/>
Dankzij de focus op productie en kwaliteit werd het systeem goed ontvangen in de markt. Het Digital Manufacturing Trends Q2/2018-rapport van 3D Hubs, het wereldwijde manufacturing-as-a-service-platform, rangschikte de HP Jet Fusion 3D 4200 bijvoorbeeld op nummer 2 volgens de Printer Quality Rating, en de machine behaalde de eerste plaats in in termen van het aantal onderdelen dat dat jaar werd geproduceerd.

In termen van toepassingen zijn de mogelijkheden van het JF 4200-systeem breed. Het kan voor alles worden gebruikt, van functionele prototypes tot gereedschappen, tot productie in kleine oplagen van onderdelen voor eindgebruik.

Een opmerkelijk voorbeeld van wat er mogelijk is met het JF 4200-systeem is de aankondiging vorig jaar dat HP samenwerkt met SmileDirectClub, een fabrikant van transparante apparaten voor het rechttrekken van tanden, de zogenaamde clear aligners.

Door deze samenwerking heeft SmileDirectClub 49 HP Jet Fusion 3D-printsystemen geïnstalleerd om meer dan 50.000 unieke mallen per dag te produceren. Deze mallen worden vervolgens gebruikt om heldere aligners te gieten.

Met zijn technologie heeft HP 3D Printing SmileDirectClub geholpen om hun groei te versnellen en aan de toenemende vraag van klanten te voldoen.

De arena voor 3D-printen in full colour betreden 

Na de release van het JF 4200-systeem kwam in 2018 de volgende grote aankondiging op de markt, met de lancering van de full-colour 3D-printerserie, Jet Fusion 300 / 500.

Nauwkeurig , betaalbaar 3D-printen in kleur is het einddoel van veel fabrikanten, van wie velen talloze uren besteden aan het verven van hun 3D-prints na ze hebben het printbed verlaten. Een betere oplossing – maar wel een die duur en exclusief is voor een selecte reeks AM-systemen – is simpelweg 3D-printen van objecten in full colour.

De nieuwe serie, ontwikkeld door HP, vormt een aanvulling op het bestaande assortiment van industriële 3D-printers die momenteel alleen in grijs printen en een betaalbare optie bieden voor kleine of middelgrote productontwikkelaars.

Door full-colour 3D-printen naar de tafel te brengen, vormt de nieuwe reeks ook een duidelijke concurrentie voor bestaande machines van Stratasys en 3D Systems.

Het volgende niveau:volume additive manufacturing

In 2018 had HP naar verluidt een mijlpaal bereikt van 10 miljoen geproduceerde onderdelen met zijn technologie. Maar daar wilde het bedrijf niet bij stilstaan. HP wilde verder gaan en het nieuwe niveau van volumeproductie in 3D-printen ontsluiten.

Het gebruik van 3D-printen in serieproductie is de afgelopen jaren een van de belangrijkste trends geweest die de industrie vorm hebben gegeven. Naarmate bedrijven meer toepassingen vinden voor de technologie in de productie, eisen ze oplossingen die de toenemende productievolumes kunnen ondersteunen.

Hoewel veel spelers op de markt oplossingen hebben ontwikkeld die gericht zijn op een hogere doorvoer, is er waarschijnlijk geen enkele zo snel geweest als HP.

2019 was opnieuw een gedenkwaardig jaar voor HP, toen het de nieuwe productiegerichte 5200-serie van zijn MJF 3D-printers lanceerde.

Terwijl de 500/300-serie van 3D-printers gericht is op functionele prototyping, en de 4200-serie is gericht op de productie van kleine volumes, heeft de nieuwste serie een nieuw hoofdstuk in de geschiedenis van 3D-printen bij HP ingeluid - volume fabricage, met nauwkeurigheid en herhaalbaarheid, vergelijkbaar met spuitgieten.

Een van de meest opvallende kenmerken van de 5200-serie is de verbeterde kracht van lampen in 5200 3D-printers. Hierdoor kan het nieuwe systeem poeder in een enkele doorgang versmelten, in tegenstelling tot een tweetrapsmodus in de vorige systemen. Als gevolg hiervan heeft het systeem een ​​productiviteitsverbetering van 40 procent en biedt het mogelijkheden voor 3D-printen van materialen op hoge temperatuur.

Verschillende bedrijven gebruiken al HP's Jet Fusion 5200-systemen voor productietoepassingen. Een voorbeeld is windturbinefabrikant Vestas, die de technologie en het TPU-materiaal gebruikt om beschermingscomponenten voor zijn windmolenbladen te produceren.

Bovendien werkt de Canadese helmfabrikant Kupol ook met het systeem om veiligere, comfortabelere helmen te 3D-printen. HP zelf maakt gebruik van zijn technologie om componenten te produceren voor zijn andere printmachines.

Het is duidelijk dat de nieuwe systemen HP's AM-activiteiten aanzienlijk verbreden en zijn klanten in staat stellen om digitale productie echt te benutten.

HP's roadmap voor 3D-printmaterialen 

HP's routekaart voor 3D-printen heeft het bedrijf geleidelijk geleid van prototyping en kleine productie naar seriële additieve productie.

Hoewel hardware een grote rol speelt in deze vooruitgang, zou het moeilijk zijn, zo niet onmogelijk, om het meeste uit MJF te halen zonder de voortdurende ontwikkeling van nieuwe materialen.

Toen MJF in 2016 voor het eerst werd geïntroduceerd, was de technologie beperkt tot één materiaal:Polyamide 12 (PA12), ook wel nylon genoemd. Geleidelijk heeft HP zijn materiaalportfolio uitgebreid met een breder assortiment thermoplasten.

Bijvoorbeeld, de 4200-serie kan tegenwoordig in verschillende soorten nylon printen, waaronder PA 11 en PA 12 Glass Beads, een 40% met glasparels gevuld nylon, evenals een flexibele en zachte TPU materiaal.

Hoewel de meeste van deze materialen beschikbaar zijn in de nieuwste 5200-serie, is er onlangs één materiaal, polypropyleen (PP), speciaal voor de nieuwste 3D-printers gelanceerd.

Ontwikkeld in samenwerking met BASF, is de PP een veelzijdige, duurzame en chemisch bestendige thermoplast, die dezelfde eigenschappen heeft als veelgebruikte PP's in spuitgieten, waaronder chemische bestendigheid, lage vochtopname en langdurige termijn duurzaamheid.

Dankzij deze eigenschappen is PP bijzonder geschikt voor klanten in de automobiel-, consumenten-, industriële en medische sector.

Hoge herbruikbaarheid van HP's materialen 

Eén ding dat bijzonder opwindend is aan de materialen van HP, is hun hoge herbruikbaarheid.

In polymeer PBF is het poeder dat het geprinte onderdeel omringt hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt om een ​​onderdeel te printen, en het is meestal duur. Dit zou natuurlijk geen probleem zijn als het poeder 100 procent hergebruikt zou kunnen worden, wat momenteel onmogelijk is.

Eén reden is dat polymeren in PBF-processen langdurig worden blootgesteld aan hoge hitte perioden, waardoor chemische veranderingen ondergaan die hun sinterkenmerken veel minder voorspelbaar maken. Momenteel is de enige manier om dit probleem op te lossen het mengen van 'gebruikt-maar-niet-gefuseerd' poeder met nieuw poeder, zodat het opnieuw kan worden gebruikt.

In het SLS-proces, slechts ongeveer 30 tot 50 procent van het poeder kan worden gerecycled, terwijl met MJF tot 80 procent van het poeder kan worden hergebruikt. Dit hoge niveau van herbruikbaarheid van poeder wordt bereikt door materiaalinnovatie.

De HP 3D High Reusability PA 122 is bijvoorbeeld ontworpen om moleculaire groei te voorkomen terwijl het materiaal in de loop van de tijd aan temperatuur wordt blootgesteld. Deze materialen staan ​​bekend als medium tot laag reactieve materialen en kunnen tot 80 procent worden hergebruikt zonder het materiaal aan te tasten en bijgevolg de kwaliteit van de onderdelen niet aan te tasten.

HP is van plan het materialenpalet verder uit te breiden zelfs verder, het leveren van een bredere familie van thermoplasten, inclusief die met vlamvertragende eigenschappen, elastomeren, polyamiden, standaardkunststoffen en hoogwaardige materialen.

Cultureel voor deze vooruitgang zal het HP Multi Jet Fusion Open Platform zijn, dat chemische bedrijven uitnodigt om samen te werken aan materiaalontwikkeling om materiaalinnovatie te versnellen.

De nieuwe grens:3D-metaalprinten

In zijn relatief korte aanwezigheid op de markt voor polymeer 3D-printen heeft HP zich gevestigd als een wendbare en ambitieuze disruptor. Nu gaat het bedrijf naar de volgende grens:3D-printen van metaal.

Geïntroduceerd in 2018, de volgende uitbreiding van zijn additievenaanbod is een Metal Jet 3D-printsysteem, aangedreven door binder jetting-technologie.

Bij het stralen van metaalbindmiddelen wordt selectief een vloeibaar bindmiddel aangebracht om poederdeeltjes laag voor laag met elkaar te verbinden.

Het proces begint met het verspreiden van een dunne laag poeder, waarbij printkoppen strategisch druppeltjes bindmiddel op het poederbed afzetten. De drukplaat zakt dan naar beneden en een nieuwe laag poeder wordt uitgespreid.

Het unieke voordeel dat HP in deze technologie heeft geïntroduceerd, ligt echter in de innovatieve printkop- en inkttechnologie.

Hoewel binder jetting-technologie van nature snel is, heeft HP zijn kennis van printkoptechnologie toegepast om het nog sneller te maken. Het Metal Jet-systeem is uitgerust met 6 printkoppen met elk 5.280 nozzles. Het hebben van deze meerdere rijen spuitmondjes zorgt voor meer productiviteit en betrouwbaarheid voor de printer.

Bovendien heeft HP, door gebruik te maken van haar expertise in inkttechnologie, een innovatief bindmiddel ontwikkeld om het sinterproces sneller en goedkoper te maken.

‘Bij metaalspuitgieten heb je doorgaans meer dan 10 gew.% bindmiddel dat moet worden uitgebrand. In ons geval hebben we minder dan 1%, wat een orde van grootte minder is, waardoor het sneller, goedkoper en veel eenvoudiger te sinteren is', zegt Tim Weber, HP's Global Head of Metals, in een interview met AMFG .

Deze verbeteringen, gecombineerd, resulteren in een metalen 3D-printer, die naar verluidt besparingen en efficiëntie oplevert die vergelijkbaar zijn met conventionele productietechnologieën.

HP verkoopt de machine echter nog niet. In plaats daarvan heeft het bedrijf een service voor de productie van onderdelen gelanceerd, met als doel de 3D-printer in 2021 commercieel beschikbaar te maken. 

Gezien de beweringen die HP heeft gedaan over Metal Jet, zou deze technologie de sleutel kunnen worden tot het ontsluiten van een duurzame waardepropositie voor 3D-metaalprinten in hoogvolumeproductie.

Een sector die bijzonder kan profiteren van deze technologie is de automobielindustrie. Volkswagen werkt nu al twee jaar samen met HP aan zijn 3D-printtechnologie voor metaal, op zoek naar de integratie van met Metal Jet geprinte structurele onderdelen, zoals versnellingspookknoppen en spiegelsteunen, in de volgende generatie van zijn voertuigen.

Digitale productie stimuleren 

HP is misschien niet de oudste speler in de 3D-printindustrie, maar het blijkt de speler te zijn die vastbesloten is om marktleider te worden.

Het bewijs hiervan is niet alleen HP's ambitieuze 3D-printing roadmap, maar ook het volledige vertrouwen in zijn technologie. Dit vertrouwen stelt HP bijvoorbeeld in staat om 3D-printen te gebruiken als onderdeel van zijn toeleveringsketen en onderdelen voor zijn 3D-printers te produceren.

Het bedrijf zet al jaren in op 3D-printen als digitale productietechnologie het testte eerst de wateren van deze industrie. Nu vergroot HP zijn momentum in 3D-printen, en het zal spannend zijn om te zien waar het zowel het bedrijf als de industrie zal leiden.