3D-printen met metaal evolueert snel:hoe u veilig gebruik kunt maken van nieuwe technologieën

Wat is 3D-printen met metaal?

Ten eerste de basis:er zijn meerdere metaaladditieve productiemethoden, waaronder de meer wijdverbreide DMLS (direct metal laser sintering) en de meer recentelijk populaire methode van het spuiten van metaalbindmiddelen. Bij DMLS wordt metaalpoeder laag voor laag rechtstreeks door een laser gesmolten (of gesinterd) om onderdelen te creëren. Metal binder jetting brengt echter lijmlagen aan in een bak met metaalpoeder, waardoor bedrukte stukken na afwerking uit het ruwe materiaal kunnen worden gezeefd zonder dat de ondersteunende structuren hoeven te worden verwijderd. Vanaf hier kunnen onderdelen worden gebakken en gesinterd of doordrenkt met een metaal (zoals brons) om hun uiteindelijke vorm te bereiken. Dit maakt meer massaproductie van metalen onderdelen mogelijk zodra de initiële ontwerpoptimalisatie is voltooid.

Hoe metaaladditieve productie evolueert

Verstoringen van de toeleveringsketen van de afgelopen jaren hebben de populariteit van een toch al snelgroeiend vakgebied drastisch vergroot, vooral voor medische en ruimtevaartbedrijven. Voorspellingen uit 2018 en 2019 van Deloitte en PwC voorspelden dat 3D-printen in populariteit zou blijven groeien, deels omdat metaal en andere niet-plastic materialen beschikbaar kwamen voor gebruik bij 3D-printen. PwC voorspelde specifiek de groei van een volledige toeleveringsketen voor metaaladditieve productie, inclusief bedrijven die de printers en software zelf produceren, leveranciers van drukmateriaal en dienstverlenende bedrijven. Dit heeft zijn vruchten afgeworpen in nichemarkten omdat er meer technologie wordt aangeboden als aanvulling op 3D-metaalprinten, een teken van de volwassenheid van de sector.

Terwijl 3D-printen met metaal aanvankelijk beperkt was tot enorme industriële DMLS-printers, is het geëvolueerd naar complexere en kleinere machines die een groter productiebereik mogelijk maken. Er komen steeds meer kleine metalen 3D-printers op de markt, waaronder modellen voor het spuiten van metalen binders. Deze nemen minder ruimte in beslag op de fabrieksvloer en kosten veel minder, waardoor de toetredingsdrempel wordt weggenomen voor bedrijven die willen beginnen met metaaladditieve productie. Tegelijkertijd creëren fabrikanten van grotere industriële printers grotere printbedden, zodat er meer onderdelen per print kunnen worden gemaakt. Ze voegen ook voortdurend meer en meer lasers toe aan grote DMLS-printers, waardoor de snelheid en consistentie van een afdruk toenemen, waardoor deze gemakkelijker te voorspellen is.

Het voorspellen van de resultaten van metaaladditieve productie wordt ook steeds eenvoudiger. Terwijl de gebruiker oorspronkelijk alleen kon zien hoe het onderdeel eruit zou zien door het af te drukken, beschikken nieuwere printers over betere software om ontwerpresultaten te voorspellen. Concepten als digital twins, die simuleren hoe een 3D-geprint onderdeel eruit zal zien voordat het printen ooit begint, zullen ook helpen voorkomen dat er fouten binnensluipen naarmate het proces vordert. Op een dag zullen deze tweelingen ook in staat zijn om met meerdere programma's en machines te werken, aangezien een onderdeel talloze productieprocessen doorloopt.

Metaalmateriaal zelf wordt steeds beter beschikbaar voor additieve productie. Er wordt voorspeld dat de kosten voor metaalfilament en poeder zullen dalen. Bovendien zijn er enkele printers op de markt gekomen die in polymeer ingekapseld metaalspuitgietmateriaal gebruiken, wat minder duur is dan traditionele 3D-geprinte metalen. Tegelijkertijd tonen bedrijven al een groeiende belangstelling voor hoogwaardige metalen zoals vuurvaste metalen zoals wolfraam. In de toekomst zullen er meer hoogwaardige metalen beschikbaar zijn voor industriële toepassingen, waaronder legeringen met een hoge entropie. Kunststoffen voor additieve productie blijven zich echter ontwikkelen en kunnen uiteindelijk voor sommige eigenschappen metalen vervangen als een goedkoper alternatief voor dure en zeldzame legeringen.

Voordelen van 3D-printen met metaal

Waarom wint de metaaladditieve productie zoveel terrein? Zoals je in het volgende gedeelte zult zien, vinden verschillende sectoren verschillende aspecten ervan waardevol. Over het algemeen maakt deze nieuwere productiemethode echter het volgende mogelijk:

• efficiënt energie- en materiaalgebruik
• on-demand creatie van een onderdeel op het gebruikspunt
• verkorte toeleveringsketens
• meer vrijheid in ontwerp
• minder instellingen dan bij welk ander type productie dan ook (dit omvat meer flexibiliteit en minder kosten dan meerdere sets gereedschappen.)

Toepassingen voor metaaladditieve productie

3D-printen met metaal is het populairst geworden in markten waar korte tijdlijnen belangrijk zijn, maar ook waar veel dure metalen worden gebruikt om kleine onderdelen te maken. Luchtvaart- en defensiebedrijven behoorden tot de eersten die 3D-metaalprinten adopteerden, op de voet gevolgd door de medische en tandheelkundige industrie. Deze industrieën adopteerden voor het eerst 3D-printen met metaal omdat het de factoren aanpakt die ervoor zorgen dat standaardonderdelen voor deze sectoren duurder zijn dan in andere sectoren.

Lucht- en ruimtevaartonderdelen zijn om verschillende redenen historisch gezien duur, waaronder de gebruikte zeldzame materialen, de noodzaak van korte doorlooptijden en de extra precisie die nodig is om ervoor te zorgen dat ze volgens de specificaties presteren. Ze moeten ook zo licht mogelijk zijn. Metaaladditieve productie pakt al deze factoren op een goedkopere manier aan dan meer traditionele productieprocessen. Een 3D-geprint metalen onderdeel kan maar liefst 70% minder wegen dan het identieke onderdeel dat met andere methoden is geproduceerd. Omdat een printer alleen het materiaal gebruikt dat hij nodig heeft, wordt de verspilling van dure materialen zoals titanium en nikkellegeringen tot een minimum beperkt vergeleken met subtractieve productieprocessen. Tegelijkertijd worden de toch al krappe doorlooptijden voor producten zoals straalmotorturbines verkort en is extra nauwkeurigheid mogelijk met minder inspanning (en dus kosten). Bovendien kunnen complexe systemen in de lucht- en ruimtevaart gemakkelijker opnieuw worden ontworpen, vereenvoudigd en getest door middel van 3D-printen, omdat printen het aantal benodigde componenten kan verminderen en de tijd kan verkorten om een complex prototypesysteem te maken.

Medische en tandheelkundige fabrikanten maken ook gebruik van 3D-printen vanwege het vermogen om nauwkeurige, lichtgewicht onderdelen met korte doorlooptijden te creëren. Deze vakgebieden moeten echter ook een hoge mate van maatwerk bereiken tegen lagere kosten, wat nodig is voor producten als kunstmatige heupgewrichten en tandheelkundige implantaten.

Bovendien maken autobedrijven in beperkte mate gebruik van metaaladditieve productie voor hoogwaardige onderdelen. Net als in de lucht- en ruimtevaart- en defensiesector biedt het printen van metaal autobedrijven een eenvoudiger herontwerp van systemen om de prestaties te verbeteren. Het maakt ook gewichtsvermindering van metalen componenten mogelijk om de brandstofefficiëntie te verbeteren, en het creëren van gespecialiseerde aftermarket-onderdelen. De meeste auto-onderdelen zijn echter goedkoper dan onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart- of medische sector, en additieve productie moet de snelheid van andere processen nog inhalen, dus 3D-printen is voor deze fabrikanten alleen in bepaalde situaties geschikt.

In de toekomst zullen industrieën als de mijnbouw en de olie- en gassector mogelijk ook 3D-printen van metalen gaan toepassen, omdat dit proces kan bijdragen aan de snelheid van levering, een essentiële factor voor deze sectoren. Volgens één rapport overweegt 83% van de olie- en gasbedrijven om 3D-printen of on-demand productie van reserveonderdelen over te nemen.

Voorbeelden van productie met metaaladditieven

Hoe ziet dit er concreet uit? In de lucht- en ruimtevaart hebben NASA en SpaceX metaaladditieve productie gebruikt om ruimteschiponderdelen te maken. NASA gebruikte de techniek om een ​​turbopomp van een raketmotor te maken die 45% minder onderdelen bevatte. In het geval van SpaceX gingen de 3D-geprinte onderdelen naar de verbrandingskamer van de SuperDraco-scheepsmotor.

Er zijn ook voorbeelden van metaaladditieve productie op medisch gebied. In 2016 had de FDA metalen 3D-geprinte implantaten goedgekeurd voor medische procedures, en sindsdien worden ze niet alleen gebruikt in heupimplantaten, maar ook voor een op maat gemaakte kunstmatige ribbenkast en een schedelimplantaat. Xometry heeft geholpen bij het bouwen van nieuwe prototypen van chirurgische robots via zijn 3D-printing en andere productiediensten, waardoor medisch gevalideerde onderdelen zijn ontstaan.

Er zijn enkele opmerkelijke voorbeelden van andere bedrijven die deze technologie adopteren; Ford heeft onlangs een autonome robot geïnstalleerd om printers te besturen die onderdelen voor eindgebruik maken, zodat de printproductie kan worden opgeschaald. Ondertussen heeft Volkswagen binder jet-printen geïmplementeerd in zijn hoofdkantoor in Duitsland. Meerdere olie- en gasleveranciers experimenteren ook met of implementeren 3D-printen van metaal, waaronder PGV, dat onderdelen zoals gereedschapsslips en zuigers voldoende on-demand print om de doorlooptijden met 50-80% en de fysieke voorraad met 50% te verkorten.

Nadelen van metaaladditieve productie

Om in meer sectoren aan te slaan zal 3D-printen met metaal nog een aantal hindernissen moeten overwinnen. Beide soorten afdrukken zijn beperkt in het aantal onderdelen dat tegelijkertijd kan worden afgedrukt door de grootte van de bouwplaat. Voor DMLS is de nabewerking die nodig is om ondersteunende structuren te verwijderen tijdrovend en brengt kosten met zich mee. Binder jetting heeft geen ondersteunende structuren, waardoor een snellere productie in grotere batches mogelijk is. Geen van beide methoden heeft echter nog de snelheid en output bereikt van meer traditionele productieprocessen zoals stempelen of smeden. Daarom is het essentieel om zorgvuldig te kiezen welke onderdelen je met deze methode wilt produceren, om er zeker van te zijn dat dit een economisch voordeel oplevert.

Hoewel 3D-printen met metaal verschillende voordelen biedt, is het alleen onder bepaalde omstandigheden zinvol om dit te implementeren. Het is belangrijk om te onderzoeken of uw bedrijf baat zal hebben bij het gebruik van dit productieproces, en ten tweede of u het proces moet uitbesteden of in eigen beheer moet brengen.

Elk bedrijf kan 3D-geprinte onderdelen gaan gebruiken, maar bedrijven die niet vooraf in de apparatuur en ondersteunende processen kunnen investeren, zullen vaak externe additievenfabrikanten gebruiken om onderdelen te laten maken. Bedrijven die interne additieve productiefaciliteiten willen creëren, zullen rekening moeten houden met extra apparatuur en training voor DMLS-printers (zoals het verwijderen van de ondersteuningsstructuur en DMLA-veiligheidsprocedures) en binderjetprinters (zoals het bakken en sinteren of infuseren van de geprinte onderdelen).

Om te bepalen of 3D-printen de moeite waard is, moet je jezelf de volgende vragen stellen:

• Welke onderdelen die u momenteel produceert, hebben baat bij 3D-printen?
• Wat is het kostenvoordeel?
• Welke impact zal 3D-printen hebben op uw bedrijfsstrategie?
• Welke impact zal dit proces hebben op uw toeleveringsketens?
• Met welke regelgevingsoverwegingen moet u rekening houden?

Elk bedrijf dat additive manufacturing wil gaan gebruiken, moet eerst een team opzetten dat met mensen op verschillende afdelingen praat, zodat je weet wie de belanghebbenden zijn en welke onderdelen eerst 3D-geprint moeten worden. Als u heeft vastgesteld dat uw bedrijf verder kan gaan met het integreren van 3D-printen, moeten er verdere beslissingen worden genomen over de vraag of u een 3D-printfabrikant inschakelt of dit proces in uw eigen bedrijf opzet.

Bedrijven die investeren in de initiële kosten voor 3D-printen zullen merken dat ze op de lange termijn geld besparen en meer controle over het proces zullen hebben. Hoewel een goede fabrikant van additieven bescherming van intellectueel eigendom en cyberbeveiliging zal bieden, kan deze extra controle aantrekkelijk zijn voor bedrijven die het delen van informatie willen vermijden. Bedrijven die in eigen beheer willen produceren, moeten overwegen of hun productie gecentraliseerd zal worden vanaf één locatie of gedistribueerd zal worden vanaf meerdere locaties. Veel bedrijven die besluiten om 3D-printen in eigen beheer te nemen, zullen ook beginnen met externe additieffabrikanten om advies te krijgen over wat mogelijk is en kennis over te dragen aan hun eigen werknemers voordat ze hun eigen printers opzetten. 

Tot de bedrijven die mogelijk meer baat hebben bij permanente uitbesteding behoren bedrijven die niet over het budget beschikken voor de initiële kosten voor het kopen en opzetten van alle benodigde apparatuur en training. Bovendien zullen ook bedrijven die een productie in kleine volumes willen of die eenvoudigweg willen experimenteren met kleine oplages van producten hiervan profiteren. Als ten slotte onderdelen moeten worden getest of geanalyseerd, kan het gemakkelijker zijn om met een fabrikant van additieven samen te werken die dat voor u kan doen. Elk bedrijf dat 3D-printen wil uitbesteden, moet beslissen of de 3D-geprinte onderdelen afkomstig zijn van OEM's, Tier 1-leveranciers of anderen.

Hoe te ontwerpen voor 3D-printen in metaal

Of u nu nieuwe onderdelen ontwerpt om in 3D te printen, of onderdelen maakt die u al via een productieproces produceert, het is van cruciaal belang om onderdelen specifiek voor het printproces te ontwerpen in plaats van ontwerpen uit andere processen over te nemen. Anders zullen geprinte onderdelen in het beste geval meer kosten en in het slechtste geval niet zo goed presteren als dezelfde onderdelen die met andere processen zijn gemaakt.

We behandelen meer details over ontwerpen voor 3D-printen in onze uitgebreide handleidingen voor het ontwerpen van metaalbinders, DMLS-ontwerp en algemeen 3D-printontwerp. Kort gezegd zijn er echter een paar punten die u moet onthouden:

• De wanddikte moet minimaal 0,7 mm (0,024 inch) zijn bij zelfdragende onderdelen, en minimaal 1,2 mm (0,048 inch) bij niet-ondersteunde of dragende onderdelen. De wanddikte moet ook uniform blijven.
• Houd een opening van ten minste 0,5 mm (0,020 inch) aan tussen de onderdelen.
• Verwijder ingesloten holtes in het onderdeelontwerp, omdat hier vastzittend materiaal of ondersteunende structuren kunnen achterblijven en materiaal blokkeren dat moet vertrekken tijdens de nabewerking.
• Ronde hoeken om stresspunten te verminderen en de prestaties van het onderdeel gedurende zijn levensduur te verbeteren.
• Wees voorzichtig met cantilevers, aangezien deze kwetsbaar zijn voor 3D-geprinte onderdelen, vooral grote, zware.

Xometry's 3D-printservice voor metaal

Met ontwikkelingen op het gebied van metaalprinten, variërend van nieuwe printers tot materialen tot software, biedt dit vakgebied spannende mogelijkheden voor productie- en toeleveringsketens, ongeacht de grootte van het bedrijf. Het is echter essentieel om ervoor te zorgen dat dit proces wordt toegepast op pijnpunten die andere productiemethoden niet kunnen aanpakken. Als u metaal additive manufacturing als een oplossing voor uw bedrijf ziet, kunnen wij u helpen. Bekijk onze mogelijkhedenpagina over 3D-printen van metaal om te zien hoe we u kunnen helpen, of ga direct naar onze pagina met directe offertes voor AI-verbeteringssuggesties over de beste manier om uw producten te maken. Nadat u uw bestand en vereisten heeft ingediend, ontvangt u binnen één minuut een offerte en doorlooptijd. 

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements