3D printing is booming, maar wat kan ik ermee?
Het 3D printen van metalen is momenteel een van de meest spannende en veelbesproken productietechnieken. Er zijn nog maar weinig mensen die eraan twijfelen dat additive manufacturing een grote rol zal spelen in de toekomst van het vervaardigen van mechanische onderdelen. Maar wat kunnen we er nu werkelijk mee? En hoe kunnen we de technologie concreet toepassen op hedendaagse vraagstukken in de fijnmechanische machinebouw?
Zo op het eerste gezicht biedt het 3D printen van metalen eindeloze mogelijkheden voor de productie van machineonderdelen. Toch zijn er nog maar weinig bedrijven die kunnen beschrijven wat deze techniek op termijn voor ze gaat betekenen. Dit heeft deels te maken met de beperkte kennis van de (on)mogelijkheden van 3D printing, maar het komt ook doordat we min of meer vastzitten in conventionele denkpatronen.
Iedereen die een mechanicaopleiding heeft gevolgd, onafhankelijk op welk niveau, is besmet met het frees- of beitelspoorprincipe. Wanneer we een product ontwerpen, engineeren of programmeren, dan ‘zien’ we het gereedschap door het werkstuk gaan. We denken in freesbanen en beitelsporen. De beperkingen die dit oplevert voor het eindproduct beoordelen we als onderdeel van het ontwerpproces en niet direct als een belemmering van de gebruikte techniek.
Om de mogelijkheden te kunnen zien van 3D printing zullen we dus eerst moeten loskomen van deze conventionele zienswijze die ons met de paplepel is ingegeven. Niet meer denken in freesbanen, niet meer in drie assen en ook niet in spanen, maar denken in de vrije ruimte.
Organische vormen
Bij het ontwerpen van 3D geprinte onderdelen wordt net als bij conventionele technieken uitgegaan van de functies die de onderdelen vervullen in een systeem. Het uitgangspunt is dus in beide gevallen gelijk, maar de weg ernaartoe én het eindresultaat zijn vaak totaal verschillend.
Als voorbeeld nemen we het ontwerp van een tandwielkast. Om deze kast conventioneel te produceren, zullen we hoogstwaarschijnlijk kiezen voor een blok materiaal van minimale grootte waarin we de functie van het product zo goed mogelijk proberen te benaderen. Daarbij zullen we trachten de hoeveelheid machine-uren zo laag mogelijk te houden om de kosten te beperken. Er wordt daarom niet meer materiaal weggenomen dan noodzakelijk.
Wanneer we hetzelfde product maken met behulp van 3D printing, dan wordt de uiteindelijke vorm van het product veel meer bepaald door de functie die het moet vervullen: krachten overbrengen en een oliebad creëren. Het resultaat is een slank product met organische vormen waarvan het uiteindelijke ontwerp veel dichter bij de functie van het onderdeel komt te liggen en waarvan het gewicht ongeveer zeventig procent lager is dan dat van de conventionele uitvoering.
Het ontwerp van de geprinte tandwielkast is tot stand gekomen met behulp van Within-software waarin wordt gebruikgemaakt van topologieoptimalisatie. Dergelijke software is de sleutel tot het succesvol toepassen van 3D printing voor de productie van mechanische onderdelen. Er zijn diverse softwarepakketten in ontwikkeling die automatisch een product construeren vanuit de functie die de gebruiker ingeeft. Het resultaat is niet zelden een organisch vormgegeven product. Het is mooi en tegelijkertijd volkomen logisch dat dergelijke ontwerpen vergelijkbaar zijn met de vormgeving die de natuur tot stand heeft gebracht.
Partners
Het construeren en produceren op basis van 3D printing vergt dus een andere aanpak. Conventionele denkpatronen moeten worden losgelaten en het ontwerp moet zo dicht mogelijk in de buurt liggen bij de functie van het onderdeel. Dan zijn we er echter nog niet want ook 3D printing heeft duidelijk zijn beperkingen.
Voor fijnmechanische toepassingen mist een geprint product vaak de juiste toleranties en ook de ruwheid van het productoppervlak is vaak te hoog op plaatsen waar interfaces komen. Er is vaak nog nabewerking noodzakelijk om tot een eindproduct te komen. Wanneer hierover nog niet is nagedacht tijdens de ontwerpfase, dan leidt dit niet zelden tot de beperkingen die we gewend zijn van het conventioneel bewerken en zijn we weer terug bij af.
Voor 3D-projecten partnert Hittech met de Britse printspecialist 3T RPD. Het succes van die samenwerking zit ’m in het feit dat beide bedrijven inzien dat 3D printing onderdeel moet zijn van een compleet systeem waarbij functie, ontwerp, printing en nabewerking onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Binnen Hittech betekent dit dat de 3D-engineers niet alleen kennis hebben van de functie van het product maar ook van alle processen die bij de realisatie van het product een rol spelen. Engineers van Hittech en 3T RPD delen intensief kennis in gezamenlijke projecten om elkaars mogelijkheden en beperkingen te leren begrijpen en om dezelfde taal te spreken. Om ervoor te zorgen dat deze technologietransfer onbelemmerd kan plaatsvinden, zijn de twee bedrijven een formeel partnership aangegaan.
Lagere kosten
In de toekomst zullen de mogelijke toepassingen voor 3D printing waarschijnlijk aanzienlijk zijn. Momenteel zitten we echter nog in een overgangsfase waarbij de techniek nog niet is uitontwikkeld en kosten nog relatief hoog zijn. Toch zijn er gebieden waar we 3D printing al met succes toepassen voor de productie van mechanische onderdelen.
De belangrijkste redenen om te kiezen voor 3D printing zijn: features aanbrengen die voorheen onmogelijk waren, gewichtsbesparing, performanceverbetering, kortere doorlooptijden, hogere flexibiliteit en lagere kosten met name bij moeilijk verspaanbare materialen. In de praktijk is vaak een combinatie van deze argumenten aan de orde, maar het verlagen van de kosten is in veel gevallen doorslaggevend. Vanuit onze afdeling Value Engineering worden regelmatig voorstellen gedaan om een samenstelling van verschillende onderdelen te vervangen door één geprint onderdeel met geringe nabewerking. Het mooie is dat de andere aspecten hierbij vaak ook worden bereikt: in de meeste gevallen is er een gewichtsbesparing en ook een performanceverbetering. Denk bijvoorbeeld aan de lagere drukval in koelkanalen.
Wanneer we vanuit Value Engineering een voorstel doen voor 3D printing, dan zijn klanten vaak verbaasd omdat ze eerder hogere kosten verwachten. Dit is echter relatief. Wanneer we in staat zijn om een groot aantal processtappen te vervangen door een enkelvoudige printbewerking, dan winnen we daarmee meer dan alleen kosten: de doorlooptijd wordt korter, het risico van yield loss neemt af en de hoeveelheid geld in de keten daalt aanzienlijk. Dit betekent dus dat de totale kosten om tot een eindproduct te komen lager liggen. Een mooi voorbeeld hiervan is een titanium elektronicabehuizing die wij voor een van onze klanten produceren (zie kader).
Koudwatervrees
Belangrijk is dat onafhankelijk kan worden beoordeeld of 3D printing de juiste techniek is voor de betreffende toepassing. Door de aandacht die de techniek momenteel heeft, zijn bedrijven bewust op zoek naar onderdelen die kunnen worden geprint. Niet omdat dit de beste oplossing is, maar om mee te doen. In dergelijke gevallen blijkt 3D printing vaak niet de juiste aanpak.
Veel bedrijven hebben nog koudwatervrees als het gaat om 3D printen. Het feit dat onderdelen uit poeder worden opgebouwd, geeft velen het gevoel dat een product na verloop van tijd vanzelf weer uit elkaar kan vallen. Uiteraard is dit niet het geval omdat de laser het poeder verhit tot smelttemperatuur. De mechanische eigenschappen zijn daardoor in de meeste gevallen gelijk aan die van een verspaand product. Voor de meeste materialen zijn de mechanische eigenschappen getest en vastgelegd.
Een andere drempel is het beeld dat bedrijven hebben van de hoge kosten. We hebben al eerder vastgesteld dat dit relatief is en dat de integrale kosten in grote mate worden bepaald door het ontwerp en de mogelijkheid om meerdere delen samen te voegen. Wat vaak onderbelicht blijft bij deze beoordeling is het feit dat de opstartkosten relatief laag zijn. Er worden vrijwel geen eenmalige kosten gemaakt om een 3D model om te zetten naar een eerste product. Het is daarom vrij eenvoudig om een model om te zetten naar een daadwerkelijk (proto)product. Vaak is het product binnen enkele dagen klaar en kan de engineer met het product in de hand om de tafel met de printer en de verspaner om het ontwerp verder te optimaliseren.
Conclusie
De hype rond additive manufacturing is enorm en de verwachtingen zijn daardoor (te) hooggespannen. Hoewel de theoretische mogelijkheden van 3D printing inderdaad veelbelovend zijn, kiest Hittech toch graag voor een praktische aanpak. Zoals bij iedere nieuwe technologie moet er een flinke leercurve doorlopen worden. Dit betekent dat er fouten moeten worden gemaakt om de techniek werkelijk te doorgronden. Daarnaast is het van belang dat de verschillende competenties op elkaar worden afgestemd.
De grote doorbraak zal echter pas komen wanneer we in staat zijn om (gecombineerde) functies om te zetten naar volledig geprinte onderdelen. Dit betekent dat ontwikkelaars enerzijds de conventionele denkpatronen volledig hebben losgelaten en anderzijds de mogelijkheden en beperkingen van 3D printing hebben doorgrond. Voorwaarde voor deze doorbraak is tevens dat we de juiste software tot onze beschikking hebben om het construeren vanuit gecombineerde functies mogelijk te maken.
De bescheiden positie die 3D printing momenteel inneemt tussen de andere bewerkingstechnieken zal in de komende jaren groeien. Hoe groot het toepassingsgebied uiteindelijk zal zijn, is met name afhankelijk van de technologische ontwikkelingen en de mate waarin we in staat zijn om de integrale kosten te verlagen en de productiviteit te verhogen.
