Solvay's Brian Alexander over het bouwen van hoogpresterende polymeren voor additieve productie

Met de vraag naar hoogpresterende polymeren in additieve productie versnellend, breiden grote materialenspelers hun portefeuilles uit. Naarmate de industrie verschuift van prototyping naar seriële productie, is de behoefte aan engineering-kwaliteit materialen die strikte prestatiecriteria halen over automotive, medisch, luchtvaart en andere sectoren nooit groter geweest. Solvay, BASF, SABIC en anderen ontwikkelen nu actief AM-specifieke polymeren.

Solvay is een €10 miljard bedrijf met meer dan 150 jaar materiaalexpertise. Gepresenteerd in de Additive Manufacturing Landscape, levert het Belgische bedrijf specialiteitsmaterialen aan diverse sectoren, van automotive tot luchtvaart.

Deze week zitten we met Brian Alexander, oprichter van Solvay Speciality Polymers' Business Incubation Platform voor Additieve Productie, om de expansie van het bedrijf in AM, de strategische kansen die de technologie biedt, en waarom hoogpresterende materialen essentieel zijn voor geavanceerde productie te bespreken.

De kans van additieve productie zien

Begin 2016 was additieve productie niet meer te negeren. Interne deliberaties leidden Solvay tot het vestigen van een toegewijde business unit binnen de Speciality Polymers divisie, volledig gefocust op AM.

"Additieve productie lijkt perfect met Solvay's kernmarkten," legt Alexander uit. "We bedienen hoogwaardige sectoren waar kleine series en massaatmaatwerk de norm zijn – denk aan luchtvaart en gezondheidszorg – in plaats van massaproductie van miljoenen onderdelen."

"We herkenden AM's transformatieve potentieel: het kon een dreiging of een kans zijn. We kozen de laatste."

Met sleutel AM-technologieën zoals SLS en FFF in het publieke domein gekomen in 2016, zag Solvay een wijdende markt en de instroom van nieuwe concurrenten. Alexander merkt op dat de hype rond AM een pragmatische benadering vereiste.

"In ons eerste jaar befragden we topklanten om hun AM-adoptie te beoordelen. In 2016 waren de meesten sceptisch – 'interessant, maar niet voor massaproductie.' Die kijk is sindsdien geëvolueerd."

AM vereist een mindset-shift

Solvay Speciality Polymers, een van de groepszaken, emploiyeert ongeveer 3.500 medewerkers. "We bieden een van de meest uitgebreide portefeuilles van hoogpresterende polymeren, met ongeveer 35 distincte formuleringen," zegt Alexander.

Deze premium materialen worden in kleinere volumes verkocht, wat goed aansluit bij AM's vraag naar gespecialiseerde, hoogwaardige onderdelen die baat hebben bij de complexiteit en schaalvoordelen van de technologie.

"AM vereist een fundamenteel andere mindset vergeleken met conventionele productie. Je moet de hele waardeketen herontwerpen – van materialen tot ontwerp, apparatuur en procesoptimalisatie."

"Wat houdt dat in de praktijk in?"

"Je moet precies begrijpen wat in de machine gaat," stelt Alexander. "Elke onbeheersbare variabiliteit in de supply chain compromitteert procescontrole, wat kritiek is voor het kwalificeren van materialen in nichemarkten als medisch of luchtvaart."

De weg naar het ontwikkelen van hoogpresterende polymeren voor additieve productie

"Additieve productie begon met laagpresterende materialen zoals PLA en ABS, geschikt voor speelgoed en prototypes," merkt Alexander op. "Om het volle potentieel van AM te ontgrendelen, zijn industriële-kwaliteit polymeren – zoals PEEK – vereist."

De groeiende vraag naar industriële-kwaliteit materialen weerspiegelt de overgang van de industrie van prototype-only naar seriële productie.

"Alleen focussen op prototyping mist AM's voordelen omdat die onderdelen niet voor additieve processen ontworpen zijn," legt Alexander uit. "Seriële productie eist een breed bereik aan thermische, mechanische en kwalificatiedata om het gewenste ontwerp te bereiken."

Het ontwikkelen van AM-specifieke hoogpresterende polymeren is uitdagend, gegeven de verscheidenheid aan AM-technologieën en Solvay's uitgebreide materialenportfolio.

Uiteindelijk selecteerde het bedrijf Fused Filament Fabrication (FFF) als uitgangspunt – de meest toegankelijke AM-technologie.

Solvay richtte twee keymarkten voor initiële testing: gezondheidszorg, met zijn massaatmaatwerkbehoeftes, en luchtvaart, die vertrouwt op kleine series productie.

"Onze vragen waren: hoe gebruiken deze markten onze materialen momenteel, en hoe kunnen we ze in staat stellen voor 3D-printen?" zegt Alexander. "Deze benadering breidt de capaciteiten van onze klanten uit voorbij traditionele productie."

PEEK en PPSU werden gekozen als de inaugurele polymeren.

PEEK is bekend om zijn uitzonderlijke stabiliteit, chemische en temperatuurbestendigheid, en superieure sterkte-gewichtsverhouding, wat het ideaal maakt voor vliegtuigcomponenten, auto-lagers, olie & gas, en elektronische toepassingen.

PPSU biedt hoge hittestand, uitstekende chemische en impactweerstand, en uitstekende rek bij breuk, geschikt voor medische hulpmiddelen, sanitaire toepassingen en voedingscomponenten.

"In AM is het begrijpen van materiaalgedrag – krimp, vervorming, cohesie – essentieel," benadrukt Alexander. "Deze eigenschappen kunnen voorspeld worden als het materiaal goed begrepen is."

Solvay lanceerde zijn Additive Manufacturing Cup in oktober 2017, uitnodigend universiteitsstudenten wereldwijd om hun AM-vaardigheden te tonen met PEEK-filament. Alexander rapporteert de resultaten als "fenomenaal."

"Studenten innoveerden snel, demonstrerend dat met de juiste ondersteuning het volledige potentieel van de technologie gerealiseerd kan worden," zegt hij, wat vertrouwen gaf om nieuwe avenues te verkennen.

Een nieuw businessmodel ontstaat

Het succes van de Additive Manufacturing Cup leidde Solvay tot het herimagineren van klantbetrokkenheid via een nieuw e-commerce platform.

"We lieten het gesloten-model achter ons en openden onze materialen voor iedereen met een creditcard," legt Alexander uit. "Snel, transparant en eerlijke prijsstelling is ongekend voor een groot chemisch bedrijf. Ons uiteindelijke doel is de volgende generatie te inspireren om onze materialen te gebruiken."

Datatransparantie is cruciaal bij het bedienen van industriële klanten. "Andere chemische bedrijven leveren generieke datasheets gebaseerd op geinjecteerde onderdelen," merkt Alexander op. "We publiceren uitgebreide data over additief geproduceerde onderdelen om onze klanten vertrouwen te geven."

Waarom procescontrole belangrijk is

Alexander benadrukt de kritiek van procescontrole. "Zonder een robuust proces of geschikte apparatuur, lijdt de onderdeelkwaliteit."

Toegepast, collaboreert Solvay met 3D-printerfabrikaten om printprofielen af te stemmen op polymerspecificaties.

"Meeste industriële gebruikers zoeken plug-and-play oplossingen – een materiaal dat geïnsereerd kan worden en consistente onderdelen produceert," zegt hij. "Dat is de richting waar we naartoe bewegen."

Tussen 2017 en 2018 leerde Solvay dat printparameters significant porositeit en gaten beïnvloeden, wat op zijn beurt sterkte en rek bij breuk beïnvloedt. "Consistente, homogene onderdelen vereisen een diep begrip van materiaalverwerking."

"Om AM's volle potentieel te benutten – roosters, lichtgewicht, onderdeelconsolidatie – moet je begrijpen hoe je materiaal zich gedraagt in complexe geometrieën en het ontwerp optimaliseren voor AM."

De rol van materiessimulatie

Solvay breidt zijn AM-materialenmogelijkheden voortdurend uit.

Vorig jaar partnerde het bedrijf met e-Xstream Engineering, integrerend Solvay's hoogpresterende polymeren in het Digimat-AM simulatieplatform.

3D-printsimulatie wordt steeds kritischer voor het voorspellen van onderdeelgedrag voor het printen.

Via Digimat-AM kunnen gebruikers nu de thermomechanische prestaties van Solvay polymeren tijdens het ontwerp simuleren, wat veel van de traditionele trial-and-error bij AM elimineert.

Alexander legt het doel van het partnerschap uit: "Een digitale tweeling van ons materiaal leveren stelt ontwerpers in staat concepten te testen zonder de 24-uur printcyclus. Voorspellende simulatie voegt significante waarde toe en versnelt time-to-market."

De toekomst van AM polymeren

Alexander biedt een filosofisch perspectief op AM's toekomst.

"Ik ben opgewonden over AM's belofte. Grotere bedrijven bewegen van een toepassing-centrische naar een proces-kwalificerings mindset," zegt hij. "Als een proces niet betrouwbaar is, faalt het onderdeel. Het is simpel."

Hij merkt op dat AM zal complementeren, in plaats van vervangen, traditionele productie, wat nieuwe kansen opent.

Wat materiaalkosten betreft, blijft Alexander optimistisch. "Economies of scale zijn een huidige uitdaging, en prijzen zijn vandaag hoog. Naarmate volumes groeien en toepassingen diversifiëren, zullen prijzen dalen."

2019 zal cruciaal zijn als Solvay werkt aan het kwalificeren van zijn additieve processen. "We streven ernaar om te partneren met 10-15 commerciële printers om consistente printing van onze polymeren te waarborgen," zegt hij.

Solvay achtervolgt ook verdere samenwerkingen, met name in geavanceerde materialen en andere AM-technologieën zoals SLS en Multi-Jet Fusion, en met sleutel OEMs klaar om in disruptive oplossingen te investeren.

Meer over Solvay: Solvay.

— — —

Expert Interviews

AMFG's Expert Interviews serie toont innovatieve bedrijven en individuen die de toekomst van additieve productie vormgeven. Voor meer informatie over deelname, contacteer marketing@amfg.ai.