Grootschalige 3D-printing: 4 breekbare toepassingen die de productie veranderen

Grootschalige 3D-printing komt langzaam maar zeker op de voorgrond als een kosteneffectieve en flexibele oplossing voor het produceren van grote onderdelen en componenten. Toch zijn de meeste huidige 3D-printers ontwikkeld voor kleinere delen – wat is de uitblik voor technologieën die grote onderdelen zoals turbinebladen en hele vleugelprofielen van vliegtuigen kunnen printen?

In dit artikel verkennen we de beschikbare grootschalige 3D-printtechnologieën en tonen we aan hoe deze de kracht van grootformaatproductie in de praktijk tonen.

Wat is grootschalige 3D-printing?

Als productietechnologie vindt 3D-printing steeds meer zijn plaats. De toepassingen variëren van gesplitste lagers en auto-onderdelen tot medische implantaten en schoeisel. Wat deze toepassingen gemeen hebben, is dat de geproduceerde onderdelen allemaal van relatief kleine afmetingen zijn.

Grootformaat 3D-printing is nog steeds een niche-technologie, maar heeft het potentieel om veel uitdagingen op te lossen waarmee fabrikanten te maken krijgen bij de productie van grote onderdelen.

Componenten van aanzienlijke omvang, zoals vliegtuigvleugels, zijn zwaar en onhandig en vereisen langere insteltijden en grotere machines. Dit vertaalt zich uiteindelijk in hogere productiekosten en langere levertijden.

3D-printing kan fabrikanten helpen grote onderdelen sneller en kosteneffectiever te produceren. Door de ontvrijheid die 3D-printing biedt, kunnen dergelijke onderdelen ook profiteren van belangrijke voordelen zoals gewichtsreductie en verbeterde prestaties. Tenslotte, als grote componenten in één drukrun kunnen worden geprint in plaats van in delen en daarna gemonteerd, vermindert dit ook de montagetijden.

Grootschalige 3D-printtechnologieën

Er zijn verschillende technologieën die voldoen aan de eisen van grootschalige 3D-printing. Hieronder volgen de commercieel beschikbare technologieën die u moet kennen.

Grootformaat 3D-printing voor kunststoffen

Big Area Additive Manufacturing (BAAM)

Een van de grootste 3D-printtechnologieën die momenteel beschikbaar is, is Big Area Additive Manufacturing (BAAM). Ontwikkeld door Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in samenwerking met Cincinnati Inc., debuteerde BAAM op de IMTS 2014, waar een complete auto werd geprint.

De 3D-printer, die een extruder op een portaalsysteem gebruikt, kan onderdelen van maximaal 6 x 2,4 x 2 meter maken met thermoplastische materialen zoals ABS, PPS, PC, PLA en PEI.

Sinds de introductie is BAAM gebruikt in diverse toepassingen, van prototypes van een zeehondromp tot zelfrijdende voertuigen.

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM)

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM) technologie, ontwikkeld door het Amerikaanse bedrijf Thermwood, richt zich exclusief op industriële productie.

Eerst gepresenteerd in 2016, heeft een LSAM 3D-printer een bouwenvelop van 10 x 40 ft (ca. 37 m²) en kan objecten zowel horizontaal als verticaal printen.

Een unieke kenmerk is de hybride benadering: additieve en subtractieve technologieën gecombineerd. Het systeem bestaat uit een 3D-printportaal en een tweede freesportaal – eigenlijk een vijfassen CNC-freesmachine. Alle productiestappen kunnen op dezelfde machine uitgevoerd worden, wat het proces versnelt.

De LSAM-printer heeft ook een extruder-schroef ontwerp van speciale staallegeringen, waardoor de printkop temperaturen tot 450°C aan kan. Dit maakt productie mogelijk van grote onderdelen die hoge-temperatuur composiet thermoplasten vereisen.

Thermwood's LSAM machine is ontwikkeld voor industriële tooling, zoals vormen en productiejigs voor de auto- en luchtvaartindustrie.

BigRep's grootschalige 3D-printers

Een bekende naam in grootformaat 3D-printing, BigRep werd in 2014 opgericht met het doel grootschalige 3D-printing zo eenvoudig en betaalbaar mogelijk te maken.

Het bedrijf introduceerde zijn eerste machine – de BigRep ONE v1 – in hetzelfde jaar, met een bouvolume van 1 kubieke meter en een prijs van ongeveer $40.000.

Vijf jaar later rankt de BigRep ONE (nu in de derde iteratie) nog steeds als een van de laagste prijs-per-volume machines. BigRep's lijn vult de marktkloof tussen kleine desktopprinters en dure industriële systemen, gericht op kleine en middelgrote ontwerp- en productiebedrijven.

Grootschalige metaal 3D-printing

Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)

In de metaal 3D-printwereld biedt Sciaky enkele van de grootste metaalprinters, aangedreven door Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM). Het EBAM 150 systeem heeft een indrukwekkend bouvolume van 3708 x 1575 x 1575 mm.

EBAM gebruikt een proces vergelijkbaar met lassen, waarbij een elektronenbundel metaal in draadvorm smelt. De technologie is geschikt voor een breed scala aan lasbare materialen, van titanium tot Inconel en roestvrij staal.

Sciaky positioneert zijn AM-systeem als een snellere, goedkopere alternatief voor grootschalige smedewerk en gietwerk. Het gepatenteerde Closed-Loop Control systeem maakt productie mogelijk van metaalonderdelen met verbeterde eigenschappen en microstructuren voor militaire, marine en luchtvaarttoepassingen.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Net als EBAM gebruikt Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) draadvoeding, maar smelt materialen met een elektrische boog. WAAM kan onderdelen tot 10 meter lengte produceren, met legeringen zoals titanium, nikkel, roestvrij staal, aluminium en bronslegeringen.

WAAM kan gebruikt worden voor grote metaalonderdelen zoals drukvaten en paneelen voor vliegtuigrumpf. Naast eindproductie is de technologie ideaal voor reparatie en onderhoud van specifieke componenten zoals turbinebladen, en ook vormen en stempels.

Grootformaat zand 3D-printing

De bekendste fabrikant van grootformaat zand 3D-printers is voxeljet, actief in dit gebied sinds 2002.

In 2011 introduceerde voxeljet de VX4000, een van de grootste zandprinters tot dato, met een bouvolume van 4 x 2 x 1 m.

Naast voxeljet biedt ExOne professionele zandprintsysteem, met een maximaal bouvolume van 2,2 x 1,2 x 0,7 m.

Beide systemen gebruiken Binder Jetting: een vloeibaar bindmiddel wordt selectief op een laag zand gedeponeerd om de deeltjes te binden.

Zand 3D-printing is bijzonder voordelig voor de gieterijindustrie, omdat het een snellere en goedkopere manier biedt om grote, complexe zandvormen en kernen voor metaalgietwerk te maken.

3 industrieën die profiteren van grootschalige 3D-printing

Zoals we zagen, biedt grootformaat 3D-printing bedrijven diverse voordelen. We bekijken hoe drie industrieën deze technologie inzetten voor snellere productie, versnelde levering, minder materiaalverspilling en nieuwe geometrieën die onmogelijk zijn met traditionele methoden.

Luchtvaart

Voor de luchtvaartindustrie is 3D-printing voornamelijk gebruikt voor kleine en middelgrote onderdelen en tooling, wat tijd en kosten bespaart.

Grootformaat 3D-printing biedt unieke kansen: het verkort lange levertijden en materiaalverspilling. Traditionele methoden zoals smeden en frezen voor grote structurele onderdelen kunnen tot een jaar duren en genereren tot 80% materiaalverspilling.

Grootschalige 3D-printing produceert onderdelen in een fractie van de tijd met minder verspilling. Belangrijker nog: de technologie kan multi-part componenten als één deel printen – part consolidation – wat montagetijden aanzienlijk vermindert.

Case: Lockheed Martin 3D-print luchtvaartonderdelen

Een veelgebruikte grootformaat technologie in de luchtvaart is Sciaky's EBAM. Een belangrijke reden is de mogelijkheid om hoge-prestatie onderdelen tot 6 meter hoog en 1,2 meter breed sneller te produceren dan traditionele methoden.

Lockheed Martin, een wereldwijd luchtvaart- en defensiebedrijf, was onder de eersten die EBAM in 2014 adopteerden. Met deze capaciteit print het bedrijf reuze titankoppen van 116 cm diameter voor satellietbrandstoftanks.

De gekwalificeerde 3D-geprinte koppen (zomer 2021) zijn onderdeel van een meerjarig ontwikkelprogramma voor hoge-druktanks. De tank bestaat uit een traditioneel gefabriceerde titaniumcilinder en twee 3D-geprinte koppen die als dekels dienen, samengeラスト tot het eindproduct.

Door EBAM's vermogen om het exacte benodigde materiaal te depositeren, verminderde Lockheed Martin materiaalverspilling met 80%. De hoge depositiesnelheid (tot 11 kg/uur) maakte levering in drie maanden mogelijk in plaats van twee jaar – een reductie van 87% in levertijd.

Lockheed Martin ziet dergelijke tanks als een stap naar transformatie van ontwerp en levering van ruimtetechnologie, waar grootformaat 3D-printing een sleutelrol speelt.

Case: Bell Helicopters gebruikt 3D-printing voor grote bladetooling

Terwijl Lockheed Martin metaal 3D-printing voor eindonderdelen gebruikt, verandert polymere 3D-printing het spel voor toolingproductie bij Bell.

In de luchtvaart kan toolingproductie lang en duur zijn. Bell keerde zich tot Thermwood's LSAM voor grote vormen voor helikopterbladen.

De eisen: goede oppervlakte-afwerking, strakke tolerenties en weerstand tegen autoclave-verwerking – een techniek die composietonderdelen versterkt onder hoge druk en temperatuur.

LSAM was ideaal om twee redenen: het 6 meter lange gereedschap kon gefabriceerd worden uit hoog-presterend koolstofversterkt PESU, dat hoge druk en temperatuur aan kan. En omdat LSAM hybride is, kan een deel geprint en afgewerkt worden zonder een tweede machine – het proces versnellend.

Thermwood produceerde het gereedschap in enkele dagen in plaats van maanden. Bovendien maakte additieve technologie ontwerp van interne ondersteuningsstructuren mogelijk die de achterkant van de vormholte niet raakten, zodat lucht vrij onder het gevormde deel in de autoclave kon stromen – voor consistentere uitharding.

Deze prestatie wijst op de nieuwe ontwerpmogelijkheden die grootschalige 3D-printing ontgrendelt voor grote, technisch complexe luchtvaartcomponenten.

Bouw

Hoewel 3D-printing in de bouw nog in een vroege adopiefase zit, biedt de technologie veelbelovend potentieel.

Een opkomende trend is 3D-geprinte prefab-vormen. In de bouw verwijst vormwerk naar een tijdelijke vorm waarin beton wordt gegoten – gebruikt voor bruggen, funderingen en muren.

Traditioneel wordt vormwerk handmatig van hout gemaakt. Houten vormwerk is niet duurzaam (vaak na 15-20 stortingen defect) en het handmatige proces beperkt de mogelijke geometrieën.

Grootschalige 3D-printing vereenvoudigt het maken van vormwerk en maakt grotere complexiteit en duurzaamheid mogelijk voor grote vormstructuren.

Case: 3D-geprinte prefab-vormen transformeren de gevel van een hoogbouw

Een recent voorbeeld betreft een grootschalig renovatieproject voor een 42-verdiepingen woon- en commerciële toren in New York.

Gate Precast, verantwoordelijk voor de nieuwe gevel, ontdekte dat houten vormen tot 9 maanden zouden kosten. Sommige maten maakten tot 2,6 x 1,7 x 0,5 m, wat de productietijd verlengde.

Om het proces te versnellen, experimenteerde het bedrijf met 3D-printing, in samenwerking met ORNL voor BAAM-technologie.

Dankzij BAAM kon het bedrijf vormen printen in 8-11 uur elk, met 8 uur extra frezen voor de gewenste afwerking. De vormen waren gemaakt van koolstofvezel-versterkt ABS, een veelvoorkomend thermoplast gemengd met gehakte koolstofvezels voor extra sterkte.

Het resultaat: een sterke vorm die 200 betonstortingen aan kan, vergeleken met 15-20 voor hout. Zonder 3D-geprinte vormen en BAAM was het onmogelijk geweest om de vormen binnen de vereiste tijd te maken.

Deze case toont de waarde van 3D-printing voor duurzamere, complexere vormen in kortere tijd. Hoewel 3D-printing houten vormwerk niet zal vervangen, bewijst het project dat 3D-printing van grote onderdelen een scala aan voordelen biedt voor de bouw, wat architecten een haalbare alternatief geeft voor prefab-vormproductie.

Gieterij

Grootformaat 3D-printing krijgt steeds meer aandacht in de gieterijindustrie. Gieterijen produceren metaalgietwerk door gesmolten metaal in speciaal gevormde vormen en kernen te gieten.

Bij metaalgietprocessen kan de technologie de kostbare en tijdrovende aspecten van het maken van patronen, kernen en vormen omzeilen.

Conventioneel metaalgieten: van tekening tot nauwkeurige vormen en patronen en tenslotte het afgeronde gegoten deel kan maanden duren. Gieterijen moeten ook vormen in voorraad houden, duur bij grote of zelden gebruikte vormen.

Een tekort aan vakkundige patroon- en vormmakers is een andere uitdaging.

3D-printing kan als hulpmiddel dienen om deze uitdagingen aan te pakken. Een voordeel is het aanzienlijk vereenvoudigde vormconstructieproces. Aangezien 3D-printing alleen een ontwerpbestand vereist, kan het handmatige vormmakingsproces en de montage van complexe kernen worden geëlimineerd.

Deze stroomlijning stelt een gieterij in staat om vormen en patronen in dagen in plaats van weken of maanden te maken. Bovendien kan 3D-printing on-demand worden gebruikt, wat fysieke voorraad en opslagkosten minimaliseert.

Case: Teignbridge maakt schroeven met 3D-geprinte gietpatronen

Teignbridge is gespecialiseerd in maatwerk schroeven en voortstuwingsystemen voor sleepboten, luxe jachten, vistrawlers en veerboten. Sinds oprichting 40 jaar geleden gebruikt het bedrijf het meerfasen gietproces.

Een stap betreft het maken van een patroon, een model van het eindobject. Het patroon wordt in een zandbak geplaatst om een vorm te maken. Dit is vaak arbeidsintensief en tijdrovend, en vereist eerst frezen van een patroon uit hout of polystyreen.

Om de patroonproductietijd te verkorten, koos Teignbridge voor grootformaat FDM 3D-printing met BigRep's BigRep ONE.

Een dergelijke grote printer in-house maakt het mogelijk om het complete plastic patroon in één keer te printen, met tastbare voordelen van verkorte cyclusduur en arbeidsinzet.

Bij traditionele patroonproductie kan een vakkundige CNC-operator tot 20 uur besteden aan frezen, sectiemontage en nabewerking. 3D-printing automatiseert het patroonmakingsproces, met 90% minder arbeidsinzet.

In metaalgieten wordt 3D-printing steeds vaker gebruikt als alternatief voor patronen en vormen. Naast grootformaat FDM hebben bedrijven ook de optie van zand 3D-printing. Zandprinters elimineren de patroonstap door direct een zandvorm te maken.

Hoewel zand 3D-printsystemen zo groot kunnen zijn als 4000 x 2000 x 1000 mm, zijn ze doorgaans duur. Toch erkennen bedrijven de voordelen van 3D-geprinte patronen en vormen: ze maken het gietproces sneller, flexibeler en kosteneffectiever.

Grote kansen met grootschalige 3D-printing

Grootformaat 3D-printing blijft een niche-technologie. Een belangrijke reden is dat veel bedrijven zich nog niet bewust zijn van de voordelen en mogelijkheden van additieve productie in het algemeen, laat staan het grootformaat aspect. Bedrijven worstelen daarom met het vinden van een passende business case.

Verergerend is dat veel grootformaat 3D-systemen nog steeds onbetaalbaar duur zijn. Bedrijven die willen experimenteren om de juiste toepassing te vinden, kunnen het zich niet permitteren.

Gelukkig begint dit te veranderen, naarmate de markt voor grootschalige 3D-printing groeit en meer betaalbare opties als BigRep's printers beschikbaar komen.

Uiteindelijk heeft de technologie voor het printen van grotere onderdelen het potentieel om uit te breiden naar andere markten en toepassingen. De auto-industrie kan er een van zijn.

Autofabrikanten kunnen grootformaat 3D-printing gebruiken voor het prototypen van grotere onderdelen zoals spoilers en autopaneelen, die moeilijk te printen zijn met huidige machines.

"Elk voertuig bestaat uit veel kleine componenten die goed passen in de bouwenveloppen van de huidige machines," zegt Harold Sears van Ford Motor Company in een interview met AMFG. "Maar er zijn ook veel grotere componenten die gewoon niet passen. We willen graag zien dat fabricanten systemen met een grotere bouwenvelop overwegen."

De vraag naar grootformaat 3D-printing is er, gedreven door voordelen van verkorte levertijd en kosten. De industrie moet de technologie nu verder ontwikkelen om die behoefte te voldoen, zodat andere industrieën zich openen voor grotere kansen – zowel letterlijk als figuurlijk.