Is hybride productietechnologie de toekomst van additieve productie?

[Afbeelding tegoed:DMG Mori]

Hoewel additieve en traditionele (subtractieve) productie zich vaak aan tegenovergestelde kanten van het spectrum bevinden, is dit echt het geval? Naarmate de productietechnologie vordert, zijn de voordelen van hybride productie duidelijk. Hybride productiesystemen, uitgerust met zowel additieve als subtractieve productiemogelijkheden, zouden een game-changer voor de industrie kunnen zijn. In dit scenario kunnen additieve en subtractieve technologieën, verre van concurrerende methoden, elkaar in feite enorm aanvullen en een scala aan mogelijkheden openen voor verbeterde, one-stop-productie.

Wat is hybride productie?

Het samen gebruiken van subtractieve en additieve technologieën is geen nieuw concept:bijvoorbeeld, de nabewerking van 3D-geprinte onderdelen omvat doorgaans CNC-bewerking om een ​​hogere nauwkeurigheid en een gladdere oppervlakteafwerking te verkrijgen. Er is echter ook een andere manier om beide methoden te combineren, wat resulteert in wat hybride productie wordt genoemd.

Als we het hebben over hybride productie, hebben we het over de combinatie van additieve en subtractieve fabricageprocessen binnen dezelfde machine .

Hybride fabricage maakt gebruik van de meest waardevolle mogelijkheden van beide technologieën:de geometrische complexiteit van additieve fabricage en de hoge precisie van subtractieve methoden. Dit betekent dat een onderdeel in één keer additief kan worden gemaakt en bewerkt, waardoor het productieproces wordt versneld.

Natuurlijk betekent dit dat bij het ontwerp van elk hybride onderdeel rekening moet worden gehouden met zowel additieve als subtractieve fabricagevereisten.

Het beste van twee werelden combineren

Een toepassing van hybride productiesystemen is de productie van kleine hoeveelheden metalen onderdelen. Machines die voor dit doel worden gebouwd, maken doorgaans gebruik van een CNC-freessysteem waaraan aanvullende mogelijkheden zijn toegevoegd, zoals 3D-printen sproeiers bijvoorbeeld.

Ondanks de complexiteit van het ontwerp die wordt geboden door 3D-printen van metaal, vereisen metalen onderdelen een uitgebreide nabewerking, deels om ruwe oppervlakteafwerkingen te overwinnen. En hoewel CNC-bewerking beperkt is als het gaat om het produceren van complexe geometrieën, biedt het een hoge mate van precisie.

Imperial Machine &Tool Co. is een bedrijf dat hybride productietechnologie heeft ontwikkeld; hier worden AM-systemen gebruikt om complexe metalen onderdelen voor eindgebruik te produceren, die vervolgens CNC-gefreesd worden voor maatnauwkeurigheid.

Hybride technologieën – wat is er op de markt

Directe energiedepositie (DED) is een additieve fabricagemethode die in dergelijke hybride oplossingen kan worden gebruikt. DED werkt door het materiaal te smelten door een laser- of elektronenstraal terwijl het via een mondstuk op het bouwplatform wordt afgezet. Het gedeponeerde materiaal kan vervolgens CNC worden gefreesd om een ​​betere oppervlakteafwerking en nauwere toleranties te bereiken. Als alternatief kan eerst een onderdeel worden gefreesd en vervolgens extra functies worden toegevoegd om complexere vormen te creëren. DED-technologie is een ideale optie voor het produceren van grote metalen onderdelen en het repareren van belangrijke componenten.

Het in de VS gevestigde bedrijf Hybrid Manufacturing Technologies was de eerste die in 2013 een hybride depositie- en freessysteem ontwikkelde met de naam AMBIT™. Het meest onderscheidende kenmerk van het AMBIT-systeem zijn de gepatenteerde depositiekoppen die aan elke CNC-machine kunnen worden toegevoegd om nieuwe of bestaande onderdelen te produceren, met een geautomatiseerd omschakelingsproces.

Bekijk hier het AMBIT-systeem van het bedrijf:

DMG MORI is een andere belangrijke speler op het gebied van hybride productie. De LASERTEC 65 3D hybride machine biedt een 5-assige materiaaldepositiemondstuk, waarmee zeer complexe metalen onderdelen kunnen worden geproduceerd. Het in de VS gevestigde Optomec is ook het vermelden waard:het bedrijf biedt twee hybride oplossingen op basis van zijn eigen LENS-technologie. Ten eerste de serie hybride additieve machines, waarvan de nieuwste (het LENS 850-R-systeem) geschikt is voor grote metalen onderdelen, en ten tweede de serie bewerkingsmachines, die kan worden geïntegreerd in een standaard CNC-platform.

De voordelen van hybride productie

De voordelen van dit soort hybride productie zijn legio. Ten eerste kunnen dankzij de hoge depositiesnelheden van DED-technologie en CNC-frezen, waarmee direct een 3D-geprint onderdeel kan worden afgewerkt, de doorlooptijden voor de productie van metalen onderdelen worden versneld, wat resulteert in een snellere time-to-market.

Ten tweede bouwen DED hybride productiesystemen zeer nauwkeurige, dichte metalen onderdelen in grotere afmetingen dan poederbedfusieprocessen mogelijk zouden maken. Bovendien hebben dergelijke systemen typisch een meerassige arm, die in staat is om een ​​onderdeel in elke richting te bouwen zonder dat er ondersteunende structuren nodig zijn.

Een ander voordeel van hybride DED-systemen is dat verschillende metalen kunnen worden gebruikt in hetzelfde onderdeel. Een hybride systeem kan bijvoorbeeld beginnen met het bewerken van een blok van het ene metaal en vervolgens overschakelen naar een ander met behulp van additive manufacturing. Vaak wordt bekleding op deze manier bereikt.

Laser sinteren kan ook worden gecombineerd met CNC-frezen, wat resulteert in een hybride poederbedproces. Matsuura Machinery Corp. is de belangrijkste fabrikant van dergelijke systemen en biedt zijn LUMEX-serie machines aan voor "hybride productie van metaallasersinteren".

Door selectief lasersinteren te combineren met een bewerkingsplatform dat plaats biedt aan maar liefst 20 gereedschappen (de LUMEX Avance-60), kunnen LUMEX-systemen onderdelen produceren zonder nabewerking. De bewerkingsspil in de systemen is ook in staat om interne structuren te bereiken terwijl ze worden afgedrukt, waardoor zeer nauwkeurige onderdelen worden gemaakt. Dit zou niet mogelijk zijn met alleen additive manufacturing, waarbij een onderdeel eerst wordt geprint en vervolgens naar de afwerking wordt gestuurd.

Volgens Matsuura is deze hybride technologie vooral gunstig voor de matrijzenbouw, omdat ze de fabricagekosten van matrijzen en matrijzen kan halveren in vergelijking met conventionele methoden. Andere industrieën kunnen echter ook profiteren van de hybride poederbedtechnologie, door hoogwaardige componenten te creëren met een lager gewicht en verbeterde functionaliteit.

Bovendien kunnen matrijzen met complexe conforme koelkanalen additief worden vervaardigd en vervolgens worden bewerkt met een poederbed hybride AM-machines, wat resulteert in 50% snellere spuitgietruns terwijl de standtijd met meer dan 30% wordt verbeterd.

Toepassingen

Terwijl de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie baanbrekend werk verrichten op het gebied van hybride productietechnologie (deze industrieën hebben doorgaans eenmalige of kleine batches van zeer complexe onderdelen die regelmatig worden herhaald), zou hybride productie een haalbare oplossing kunnen worden voor verschillende medische toepassingen.

Hoewel hybride productiesystemen nog niet specifiek voor medische toepassingen zijn ontwikkeld, is het 3D-printen van medische onderdelen en vervolgens machinale bewerking al een veelgebruikt proces binnen de industrie. Met de komst van hybride productie kunnen zeer nauwkeurige patiëntspecifieke protheses en tandheelkundige implantaten echter nog sneller en kosteneffectiever worden geproduceerd.

Hybride additive manufacturing is echter misschien nog voordeliger op het gebied van reparatie- en onderhoudswerkzaamheden. Een voorbeeld is GE, dat het hybride systeem van Hybrid Manufacturing Technologies heeft gebruikt om turbinebladen te repareren. Dankzij hybride fabricage kunnen versleten onderdelen en beschadigde delen van een turbineblad worden gerepareerd door nieuw materiaal op het oppervlak te deponeren en het vervolgens tot nauwkeurige toleranties te bewerken.

Dit elimineert niet alleen de noodzaak om een ​​nieuw onderdeel helemaal opnieuw te produceren, maar vermindert ook het aantal stappen dat nodig is om een ​​onderdeel te repareren. In één geval was het hybride systeem zelfs in staat om de basisvorm van het blad te wijzigen door een functie toe te voegen voor een betere energie-efficiëntie. Dit zou niet kosteneffectief zijn met uitsluitend traditionele productiemethoden zoals gieten.

De weg vooruit

Hoewel hybride productie zich nog in de beginfase van ontwikkeling bevindt, zijn de voordelen die het de productie-industrie kan bieden eindeloos, van kortere doorlooptijden tot complexe onderdelen die anders onmogelijk te maken zouden zijn. Er wordt veel onderzoek gedaan in het veld:de Loughborough University is bijvoorbeeld een pionier in wat zij hybride en multi-systemen AM noemt voor metaal- en polymeersystemen. Uiteindelijk zouden hybride technologieën een industriële game-changer kunnen worden en de weg vrijmaken voor duurzamere, alles-in-één productie.

Meer zoals dit:

Hybride en multi-systemen AM, AM-automatisering en meer:​​een interview met professor Ian Campbell van Loughborough University