Metaal 3D-printen evolueert snel – Hoe nieuwe technologieën veilig te benutten

Wat is Metaal 3D-printen?

Eerst de basis: er zijn meerdere metaal additieve productiemethoden, waaronder de meer wijdverspreide DMLS (Direct Metal Laser Sintering) en de recent populairder wordende methode Metal Binder Jetting. Bij DMLS wordt metaalpoeder direct gesmolten (of gesinterd) door een laser laag voor laag om onderdelen te creëren. Bij Metal Binder Jetting wordt lijm in een bak met metaalpoeder gelaagd, waardoor geprinte stukken uitgezeefd kunnen worden uit het grondstofmateriaal wanneer klaar, zonder supportstructuren te hoeven verwijderen. Vervolgens kunnen onderdelen gebakken en gesinterd worden of geïnfuseerd met een metaal (zoals brons) om hun finale vorm te bereiken. Dit stelt massaproductie van metaalonderdelen in zodra de initiële ontwerpoptimalisatie voltooid is.

Hoe Metaal Additieve Productie Evolueert

Supply chain storingen de afgelopen jaren hebben de populariteit van een al snel groeiend veld drastisch verhoogd, vooral voor medische en luchtvaartbedrijven. Voorspellingen van Deloitte en PwC uit 2018-2019 voorspelden dat 3D-printen in populariteit zou groeien, deels omdat metaal en andere non-plastic materialen beschikbaar kwamen voor 3D-printen. PwC voorspelde specifiek de groei van een gehele metaal additieve productie supply chain, inclusief bedrijven die printers en software produceren, printmateriaalleveranciers en servicebedrijven. Dit is in niche markten in vervulling gegaan naarmate meer technologie om 3D metaalprinten te complementeren beschikbaar komt, een teken van de rijping van de sector.

Terwijl metaal 3D-printen eerst beperkt was tot massieve industriële DMLS-printers, is het geëvolueerd naar complexere en kleinere machines die een groter productiebereik toelaten. Meer kleine metaal 3D-printers, inclusief Metal Binder Jetting modellen, komen op de markt. Deze nemen minder ruimte in op een fabriekvloer en kosten veel minder, wat de instapdrempel verlaagt voor bedrijven die metaal additieve productie willen starten. Tegelijkertijd creëren fabrikanten van grote industriële printers grotere printbedden om meer onderdelen per print te maken. Ze voegen ook continu meer lasers toe aan grote DMLS-printers, wat de snelheid en consistentie van een print verhoogt, wat voorspelbaarder maakt.

Het voorspellen van uitkomsten van metaal additieve productie wordt ook makkelijker. Terwijl oorspronkelijk de gebruiker alleen kon zien hoe het onderdeel eruit zou komen door het te printen, hebben nieuwere printers betere software om ontwerpresultaten te voorspellen. Concepten zoals digital twins, die simuleren hoe een 3D-geprint onderdeel eruit zal zien voordat de print ooit begint, helpen ook fouten te voorkomen naarmate ze verder vorderen. Enkele dag zullen deze twins ook over meerdere programma's en machines kunnen werken als een onderdeel door talloze productieprocessen gaat.

Metaalmateriaal wordt beschikbaarder voor additieve productie. Metaalfilament en poederkosten zijn voorspeld te dalen. Daarnaast zijn er printers op de markt gekomen die polymer geencapsuleerde metaal injection molding materiaal gebruiken, wat goedkoper is dan traditionele 3D-printmetalen. Tegelijkertijd tonen bedrijven al groeiende interesse in high-performance metalen zoals refractory metalen (bijv. wolfraam). In de toekomst zullen meer high-performance metalen beschikbaar komen voor industriële toepassingen, inclusief high entropy alloys. Echter, additieve productie kunststoffen blijven evolueren en kunnen uiteindelijk metalen voor sommige eigenschappen vervangen als goedkoper alternatief voor dure en zeldzame legeringen.

Voordelen van Metaal 3D-printen

Waarom wint metaal additieve productie zoveel terrain? Zoals u in de volgende sectie ziet, vinden verschillende industrieën verschillende aspecten waardevol. Over het algemeen stelt deze nieuwere productiemethode in staat:

• Efficiënt energie- en materiaalgebruik
• On-demand creatie van een onderdeel op het gebruikspunt
• Verkorte supply chains
• Meer ontwerpvrijheid
• Minder opzet dan elk ander type productie (inclusief verhoogde flexibiliteit en minder kosten dan meerdere sets tooling)

Toepassingen van Metaal Additieve Productie

Metaal 3D-printen is het meest populair in markten waar korte tijden belangrijk zijn, evenals waar veel dure metalen gebruikt worden voor kleine onderdelen. Luchtvaart- en defensiebedrijven waren de eerste adoptanten, dicht gevolgd door medische en tandheelkundige industrieën. Deze industrieën adopteerden metaal 3D-printen omdat het de factoren adresseert die standaardonderdelen voor deze sectoren duurder maken dan in andere sectoren.

Luchtvaartonderdelen zijn historisch duur om meerdere redenen: zeldzame materialen, noodzaak voor korte levertijden, extra precisie vereist voor specificaties. Ze moeten ook zo licht mogelijk zijn. Metaal additieve productie adresseert al deze factoren goedkoper dan traditionele processen. Een 3D-geprint metaalonderdeel kan tot 70% minder wegen dan het identieke onderdeel geproduceerd door andere methoden. Aangezien een printer alleen het benodigde materiaal gebruikt, blijft de afval van dure materialen zoals titanium en nikkellegering minimaal ten opzichte van subtractieve productieprocessen. Tegelijkertijd worden al krappe levertijden voor producten als straalmotorturbines ingekort en is extra nauwkeurigheid mogelijk met minder moeite (en dus kosten). Bovendien kunnen complexe systemen in luchtvaart eenvoudiger herontworpen, vereenvoudigd en getest worden via 3D-printen, aangezien printen het aantal benodigde componenten kan verminderen en de tijd voor het creëren van een complex prototypesysteem verkort.

Medische en tandheelkundige fabrikanten gebruiken 3D-printen ook voor nauwkeurige, lichte onderdelen met korte levertijden. Deze velden hebben ook een hoge mate van customizatie tegen lagere kosten nodig, noodzakelijk voor producten zoals kunstmatige heupgewrichten en tandimplanten.

Automotive bedrijven gebruiken metaal additieve productie tot op zekere hoogte voor high-end onderdelen. Net als in luchtvaart en defensie biedt printen in metaal eenvoudigere herontwerp van systemen voor betere prestaties. Het stelt ook metaalcomponent gewichtsreductie toe voor brandstofefficiëntie, en creatie van gespecialiseerde aftermarket onderdelen. Echter, de meeste auto-onderdelen zijn goedkoper dan luchtvaart of medische onderdelen, en additieve productie heeft nog niet de snelheid van andere processen gehaald, dus 3D-printen past alleen in bepaalde situaties voor deze fabrikanten.

In de toekomst kunnen industrieën zoals mijnbouw en olie en gas ook metaal 3D-printen adopteren, aangezien dit proces kan helpen met de leversnelheid, een essentieel factor voor deze velden. Volgens een rapport overwegen 83% van olie- en gasbedrijven 3D-printen of on-demand productie voor reserveonderdelen.

Voorbeelden van Metaal Additieve Productie

Wat ziet dit er in concrete termen uit? In luchtvaart hebben NASA en SpaceX metaal additieve productie gebruikt voor ruimtescheponderdelen. NASA creëerde een raketmotorturbopomp met 45% minder onderdelen. Bij SpaceX gingen 3D-geprinte onderdelen in de verbrandingskamer van de SuperDraco-schipmotor.

Er zijn ook voorbeelden in het medische veld. In 2016 had de FDA metaal 3D-geprinte implanten goedgekeurd voor medische procedures, en ze worden gebruikt niet alleen in heupimplanten, maar voor een custom kunstmatige ribbekast en een schedelimplant. Xometry heeft geholpen nieuwe chirurgische robotprototypes te bouwen door zijn 3D-printen en andere productiediensten, medisch gevalideerde onderdelen creërend.

Andere opvallende voorbeelden: Ford installeerde recent een autonoom robot om printers te controleren die eindgebruiksonderdelen maken om productieschaal te vergroten. Volkswagen heeft binder jet printing geïmplementeerd in zijn hoofdfabriek in Duitsland. Meerdere olie- en gasleveranciers experimenteren met of implementeren metaal 3D-printen, inclusief PGV, dat onderdelen als tool slips en zuigers on-demand print genoeg om levertijden met 50-80% te verminderen en fysieke voorraad met 50%.

Nadelen van Metaal Additieve Productie

Om in meer industrieën aan te kloppen, moet metaal 3D-printen nog enkele horden nemen. Beide printtypen zijn beperkt in het aantal onderdelen dat simultaan geprint kan worden door de grootte van het build plate. Bij DMLS is de post-processing vereist om supportstructuren te verwijderen tijdrovend en voegt kosten toe. Binder jetting heeft geen supportstructuren, wat snellere productie in grotere batches toelaat. Echter, geen van de methoden heeft nog de snelheid en output van traditionele productieprocessen zoals stampen of smeden bereikt. Hierdoor is het essentieel om zorgvuldig te kiezen welke onderdelen met deze methode geproduceerd worden om economisch voordeel te garanderen.

Hoewel metaal 3D-printen diverse voordelen biedt, heeft het alleen zin om het in bepaalde omstandigheden te implementeren. Het is belangrijk te onderzoeken of uw bedrijf baat zal hebben bij dit productieproces, en tweedens, of u het proces moet uitbesteden of in-house brengen.

Elk bedrijf kan beginnen met 3D-geprinte onderdelen, maar die geen upfront investering in apparatuur en ondersteunende processen kunnen maken, zullen vaak derde partij additieve fabrikanten gebruiken om onderdelen te laten maken. Bedrijven die in-house additieve productiefaciliteiten willen creëren, moeten rekening houden met extra apparatuur en training voor DMLS-printers (zoals supportstructuurverwijdering en DMLA veiligheidsprocedures) en binder jet printers (zoals bakken en sinteren of infuseren van geprinte onderdelen).

Om te bepalen of 3D-printen de moeite waard is, vraag uzelf:

• Welke onderdelen die u momenteel produceert zullen baat hebben bij 3D-printen?
• Wat zal het voordeel in kosten zijn?
• Wat zal de impact zijn op uw bedrijfsstrategie?
• Wat zal de impact zijn op uw supply chains?
• Welke regulatoire overwegingen moet u rekening mee houden?

Elk bedrijf dat additieve productie wil starten, moet eerst een team opzetten om met mensen in verschillende afdelingen te praten, zodat u weet wie de stakeholders zijn en welke onderdelen eerst 3D-geprint moeten worden. Als u bepaalt dat uw bedrijf kan doorgaan met het incorporeren van 3D-printen, zijn er verdere beslissingen over of u een 3D-printfabrikant gebruikt of het proces in uw eigen bedrijf opzet.

Bedrijven die investeren in upfront kosten voor 3D-printen zullen op de lange termijn geld besparen en meer controle over het proces hebben. Hoewel een goede additieve fabrikant intellectuele eigendom bescherming en cybersecurity biedt, kan deze extra controle aantrekken voor bedrijven die informatiedeling willen vermijden. Bedrijven die in-house willen produceren, moeten overwegen of productie gecentraliseerd vanaf één locatie of gedistribueerd vanaf meerdere locaties zal zijn. Veel bedrijven die 3D-printen in-house nemen, starten ook met derde-partij additieve fabrikanten om advies te krijgen over wat mogelijk is en kennis over te dragen aan eigen medewerkers voordat ze eigen printers opzetten.

Bedrijven die meer baat hebben bij permanente uitbesteding omvatten die zonder budget voor upfront kosten van apparatuur en training. Ook bedrijven die low-volume productie willen of die simpelweg willen experimenteren met korte runs van producten. Ten slotte, als onderdelen getest of geanalyseerd moeten worden, kan het makkelijker zijn om met een additieve fabrikant te werken die dat voor u kan doen. Elk bedrijf dat 3D-printen wil uitbesteden, moet beslissen of de 3D-geprinte onderdelen van OEMs, tier 1 leveranciers, of anderen komen.

Hoe te ontwerpen voor 3D-printen in metaal

Of u nu nieuwe onderdelen ontwerpt voor 3D-printen, of onderdelen die u al produceert met een productieproces, het is vitaal om onderdelen specifiek te ontwerpen voor het printproces in plaats van ontwerpen over te dragen van andere processen. Anders zullen geprint onderdelen op het beste meer kosten, en op het slechtste niet zo goed presteren als dezelfde onderdelen gemaakt met andere processen.

We behandelen meer details over ontwerpen voor 3D-printen in onze diepgidsen voor Metal Binder Jetting ontwerp, DMLS ontwerp, en algemeen 3D-printontwerp. Kortweg, er zijn een paar punten om te onthouden:

• Wanddikte minimaal 0,7 mm (.024 inch) op zelfondersteunende kenmerken, en minimaal 1,2 mm (.048 inch) op niet-ondersteunde of belastingsdragende kenmerken. Wanddikte moet ook uniform blijven.
• Houd minimaal 0,5 mm (.020 inch) gat tussen onderdeelkenmerken.
• Verwijder ingesloten holtes in het ontwerp, want daar kan gevangen materiaal of supportstructuren blijven en materiaal blokkeren dat tijdens post-processing moet vertrekken.
• Rond hoeken af om spanningspunten te reduceren en de prestaties van het onderdeel over de levensduur te verhogen.
• Wees voorzichtig met kragarmen, want deze zijn kwetsbaar op 3D-geprinte onderdelen, vooral grote, zware.

Xometry's Metaal 3D-printservice

Met ontwikkelingen in metaalprinten varierend van nieuwe printers tot materialen tot software, biedt dit veld spannende kansen voor productie en supply chains, ongeacht de bedrijfsgrootte. Echter, het is essentieel om te waarborgen dat dit proces toegepast wordt op pijnpunten die andere productiemethoden niet kunnen adresseren. Als u metaal additieve productie ziet als oplossing voor uw bedrijf, kunnen we helpen. Bekijk onze capabilities-pagina voor metaal 3D-printen om te zien hoe we u kunnen helpen, of ga direct naar onze instant quote-pagina voor AI-verbeterde suggesties over de beste manier om uw producten te creëren. Zodra u uw bestand en vereisten indient, ontvangt u een offerte en levertijd binnen één minuut.

Disclaimer

De inhoud van deze pagina is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele garantie, expliciet of impliciet, over de accurate, volledigheid of geldigheid van de informatie. Prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat derde leveranciers of fabrikanten via Xometry's netwerk leveren. Klanten die offertes aanvragen zijn verantwoordelijk voor het specificeren van de exacte eisen. Raadpleeg onze voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors-afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn carrière omvat rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale.

Lees meer artikelen van Dean McClements