Amsystems sorteert voor op omwenteling in 3D-markt
Sinds begin 2020 staat Amsystems op eigen benen. Met de disruptieve printtechnieken ontwikkeld bij TNO probeert de Eindhovense startup de 3D-industrie op zijn kop te zetten. ‘Onze oplossingen zijn extreem goed schaalbaar’, zegt directeur Roeland Brugman. Hoe zijn bedrijf de concepten in de markt gaat zetten, is nog niet in steen gebeiteld.
Zo’n anderhalf jaar geleden splitste Amsystems Center – het gezamenlijke r&d-centrum van TNO en High Tech Systems Center op het gebied van 3D-printtechnologie – zichzelf op. De printtechnologieën voor de vier focusgebieden – food, pharma, elektronica en industrie – bleken toch zo verschillend dat de onderzoeksprogramma’s te ver uiteen begonnen te lopen. De segmenten zaten bovendien op een heel ander niveau van volwassenheid, waardoor een bundeling niet langer logisch was.
Foodprinting heeft onderdak gevonden bij het Digital Food Processing Initiative (DFPI). De TU Eindhoven en TNO hadden binnen dit initiatief de handen al ineengeslagen met Wageningen University & Research voor de ontwikkeling van voedselprinters. Het onderzoek op dit gebied was daarmee prima afgedekt. Pieter Debrauwer, researchmanager bij TNO en de voormalige directeur van Amsystems Center, trekt nu de kar bij het DFPI, waar ook het printen van bijvoorbeeld gepersonaliseerde medicijnen is ondergebracht.
Voor geprinte elektronica werkten de onderzoekers van Amsystems Center nauw samen met Holst Centre, dat al een stevige marktpositie heeft in die tak van sport. De verdere ontwikkeling van structural electronics is volledig daarnaartoe verhuisd.
De vierde onderzoekspoot van Amsystems Center was industriële additive manufacturing. Het onderzoek was daar op het punt gekomen dat er grotere investeringen nodig waren om de ontwikkelde technologieconcepten naar de markt te brengen. Die laatste industrialisatiestappen zet je makkelijker via startups. Daarom werd begin 2020 Amsystems bv opgericht.
Disruptief versnellen
TNO heeft Amsystems een aantal licenties verstrekt rond 3D printen op basis van fotopolymerisatie. Roeland Brugman, de drijvende kracht achter de startup, legt uit: ‘Binnen additive manufacturing zijn er verschillende smaken. Om te beginnen, kun je printen met een filament, een kunststof draad die je smelt op de plek waar je het materiaal wilt hebben. Die techniek wordt wel in de industrie toegepast, maar ze is vooral populair bij consumenten en hobbyisten. Industrieel interessanter zijn de processen op basis van kunststof- of metaalpoeder.’
De derde methode is stereolithografie waarbij je objecten uit hars optrekt. Op een bouwplaat ligt een laagje hars met een dikte van een tiende millimeter. Die belicht je selectief met een laser waardoor de hars polymeriseert. Vervolgens wordt er een nieuwe laag hars aangebracht en herhaalt het proces zich.
De aanpak werkt, maar in de industriële praktijk zitten er nog wat haken en ogen aan. Het grootste probleem is opschaling. ‘Hogere productiviteit wordt bereikt door bouwplaten en machines groter te maken. Bij Materialise in België staat de grootste stereolithografiemachine, een mammoetsysteem met een bouwplaat van 800 bij 2000 mm. Die staat tientallen uren te rammelen om een bumper te printen’, weet Brugman. ‘Als een bedrijf zijn printcapaciteit wil opschalen, moet het meerdere machines naast elkaar zetten. Je voelt op je klompen aan dat daar een limiet aan zit.’
Een andere uitdaging is dat de laser bij een groot product of een volle bouwplaat per laag ontzettend lang bezig is. ‘En ook het aanbrengen van een nieuwe laag moet voldoen aan hoge eisen’, vertelt Brugman. ‘Voor al die repeterende processtappen hebben we technologieën geïnitieerd die ze disruptief versnellen.’
Blu-ray-diodes
Allereerst de belichting. ‘In standaard stereolithografie, maar ook in poedergebaseerde 3D-printers, gebeurt dat met een laser’, legt Brugman uit. ‘Om de snelheid te verhogen, kun je meerdere lasers inzetten, maar daarmee gaat de kostprijs van de machine omhoog. Ook kun je niet lasers blijven toevoegen als het tempo nog verder omhoog moet; het houdt een keer op.’
De onderzoekers bij TNO hebben dat concept losgelaten en gebruiken geen puntscan maar een lijnscan. Ze belichten de hars met een scanner van aan elkaar gekoppelde standaard modules met ieder twintig, relatief goedkope laserdiodes. Dezelfde als in een Blu-ray-speler. Die bundels gaan door een roterend polygoon. Dat is een optisch element waardoor de individuele spots een korte, translerende beweging maken. Die kwispeling is nodig om de ruimtes tussen de bundels ook te kunnen belichten en zo een scanbreedte van zestig millimeter per module te realiseren.
‘Je zet een aantal van die modules naast elkaar op een carrier die je vervolgens over het bouwoppervlak laat bewegen’, legt Brugman uit. ‘Door de diodes op het juiste moment aan en uit te zetten, kun je de hele bouwplaat in één scan belichten. Het mooie is dat je de hoeveelheid modules kunt afstemmen op de breedte van je bouwplaat; de belichtingssnelheid zal er niet onder lijden. Ook maakt het niet uit of de bouwplaat vol ligt of dat je een groot object print. Dat maakt onze benadering extreem goed schaalbaar.’
De aanpak met laserdiodes is ook nog eens substantieel nauwkeuriger, zegt Brugman. ‘Bij grote stereolithografische printers ligt de belichtingsnauwkeurigheid al snel ver boven de vijftig micrometer. Naast de impact op de maatvoering van het object komt dit ook niet ten goede aan de oppervlaktekwaliteit en zijn er dus extra kosten voor nabehandeling. Als je de belichtingssnelheid wilt opvoeren, vergroot dat vaak de diameter van de laserspot. In onze technologie is de nauwkeurigheid onafhankelijk van de productiesnelheid en altijd 20 micron.’
Als je zo snel belicht als met de laserdiodes in de lijnscanmodule van Amsystems dreigt het recoaten de vertragende factor te worden. ‘Je hebt niets aan die hoge belichtingssnelheid als je vervolgens lang moet wachten voordat je een nieuwe, stabiele harslaag hebt neergelegd’, verduidelijkt Brugman. TNO heeft een techniek ontwikkeld waarmee je via een soort douchekop met twaalfhonderd microjets een uniforme laag kunt deponeren. Daarmee gaat de snelheid van recoaten omhoog van 0,04 m/s naar 4 m/s. ‘Ideaal voor het opschalen en disruptief versnellen van het hele proces.’
Nog hogere productiviteit is mogelijk met het carrouselconcept dat TNO jaren geleden ontwikkelde binnen het Print Valley-project. Daarin draaien de bouwplaten rond in een machine en kunnen alle processtappen gelijktijdig worden uitgevoerd.
Piketpaaltjes
Amsystems ziet zichzelf als de link naar de markt. De technologieën en concepten van TNO moeten namelijk nog worden geïndustrialiseerd. ‘Het afgelopen jaar hebben we rond de lichtmodule een aantal studies gedaan waardoor we een beter gevoel hebben gekregen van de technologie en de marktpotentie’, vertelt Brugman. ‘Daardoor ben ik alleen maar enthousiaster geworden omdat ik nu in de industriële praktijk heb gezien dat dit de route voorwaarts is.’
Amsystems werkt aan een benchmark om te kunnen laten zien hoe zijn oplossing zich verhoudt tot andere technologieën en aanbieders. Samen met cto Eddy Allefs heeft Brugman een plan gedefinieerd voor de verdere industrialisatie dit en komend jaar. Eind 2022 staat het eerste minimal viable product op de planning. ‘Dan willen we de belichtingsmodule zo ver hebben doorontwikkeld dat hij geschikt is voor industriële demoprojecten. Het jaar erna willen we onze eerste systemen uitleveren’, aldus Brugman.
Aan wie Amsystems de technologie als eerste gaat vermarkten, staat nog niet vast. ‘We zijn in contact met de leidende partijen in industriële harsgebaseerde printers’, vertelt Brugman. ‘Samen valideren we de mogelijkheden om hun bestaande portfolio met onze technologiecomponenten te upgraden, zowel in productiviteit als in kwaliteit. Nieuwe use cases worden daarmee economisch interessant.’ Het Amerikaanse 3D Systems is in dit segment de grootste speler, maar ook bijvoorbeeld het Chinese Uniontech en het Italiaanse DWS spelen een rol van betekenis.
De andere route die Amsystems verkent, is de optie van een klantspecifieke machine. ‘We zullen dat als Amsystems niet zelfstandig doen; dat snijdt geen hout’, vindt Brugman. ‘Het moet in samenwerking met veel partijen in de regio.’ Amsystems werkt al samen met NTS, Industrio, TNO, Holst en CITC. ‘Ik ben druk bezig om alle piketpaaltjes op de juiste plek te krijgen zodat we deze marktvraag als regio kunnen adresseren. Het ontwikkelen en leveren van snelle en nauwkeurige industriële stereolithografische 3D-printers zou een heel mooie opportuniteit kunnen zijn waarin we in Nederland een wereldpositie kunnen innemen.’
Met zo’n samenwerking zouden Amsystems en zijn partners tegemoetkomen aan de vraag van eindgebruikers die nu naar de regio komen omdat bestaande aanbieders niet de passende oplossing hebben. Brugman: ‘Ze willen geen generieke oplossing of een proof of principle, maar een proof of production, met dat materiaal, die snelheid en voor die kosten. Daar sorteren we nu op voor. Alle componenten zijn aanwezig.’
Leveren aan machinebouwers en mogelijk een eigen oem optuigen, bijt dat elkaar niet? ‘Jawel, maar als startup hebben we de vrijheid om die beide paden serieus en transparant naast elkaar te verkennen met klanten’, glimlacht Brugman. ‘Hiermee krijgen we aandacht van geïnteresseerde partijen en creëren we gezonde spanning in de markt.’
