Efficiënte inzet am vereist brede blik

Metalen voorwerpen worden steeds vaker 3d geprint. Veelal wordt metaalpoeder met behulp van fotonen (laser) of elektronen plaatselijk tot iets boven het smeltpunt gebracht en samengesmolten. Het verschil in temperatuur tussen waar het metaal vloeibaar is en de rest van het werkstuk is aanzienlijk. Dit geldt ook voor de resulterende spanningen en vervormingen. Deze en andere aspecten zijn sterk met elkaar verweven. Hun onderlinge beïnvloeding behoeft meer aandacht, betoogt Rein van der Mast.

Rein van der Mast is am-evangelist en in deeltijd als 3d-printexpert verbonden aan Fontys Hogeschool.

21 maart 2018

Bij de totstandkoming van metalen werkstukken met additive manufacturing spelen enorm veel variabelen een rol. Niet alleen in de bouwkamer, waar de print tot stand wordt gebracht, maar ook bij de voorbereiding en de nabewerking ervan. De variabelen beïnvloeden elkaar veelal nadelig. Het is als een groot paneel met controleknoppen: je draait aan eentje en alle andere draaien mee, uit zichzelf. Sommige een beetje, andere veel.

Van der Mast bracht vorig jaar ’s werelds eerste 3d-geprinte vulpenpunt uit, zowel in titanium als in 18 karaat witgoud. Bij het printen ervan wordt gebruikgemaakt van zones: een schil bestaande uit twee elkaar omsluitende contouren en een gearceerd binnengebied dat tot stand wordt gebracht met twintig procent minder vermogen.

Een voorbeeld. Voor een hogere dichtheid is meer versmelting nodig. Voor meer versmelting ligt het voor de hand het vermogen te verhogen. Meer vermogen zorgt voor een ‘warmere’ laser- of elektronenbundel. Maar meer warmte-inbreng heeft ook grotere temperatuurverschillen tot gevolg, en dus ook grotere vervormingen als gevolg van inwendige spanningen. Wellicht verwacht u dat dergelijk kromtrekken – vaak warpage genoemd – valt te verminderen door het werkstuk tijdens het printen flink warm te houden, zoals bij een vergelijkbare manier van werken met nylon. Helaas zouden de temperaturen zo hoog oplopen dat een veel duurdere machine nodig is. Bovendien leidt een langdurige, hoge temperatuur tot kristalgroei, wat in metalen prints doorgaans onwenselijk is omdat de belastbaarheid van het werkstuk erdoor afneemt.

Taken

Omdat talloze factoren een rol spelen en de meeste elkaar nadelig beïnvloeden, is een ‘optimaal’ design welhaast per definitie een compromis. Een compromis dat zich bovendien niet eenvoudig laat bepalen vanwege het grote aantal knoppen waaraan kan worden gedraaid. Alsmaar slimmere digitale hulpmiddelen zullen daarom geleidelijk meer taken van de ontwerper overnemen. Je ziet het al gebeuren. Bijvoorbeeld cad-software die de ontwerper direct vertelt welk effect elk detail in zijn ontwerp heeft op de printbaarheid en de kosten. Siemens profileert zich steeds meer in die richting met zijn NX-pakket, waarvoor het samenwerkt met het Leuvense Materialise.

Verder bestaat er software voor topologieoptimalisatie die tevens kijkt naar de printbaarheid van het ontwerp. En software die op basis van eindige elementen het printen digitaal, dus virtueel, doet en daarbij vervorming en spanningsvorming nauwkeurig voorspelt. De programmatuur doet voorstellen voor de juiste printerinstellingen en werkstukondersteuning (support structures). Noemenswaardig in dit verband zijn de Amerikaanse ontwikkelaars van de op eindige elementen gebaseerde software Altair en 3dsim, waarvan de laatste eind vorig jaar door Ansys werd overgenomen.

Hoe kunt u deze deurknop het best printen? Ten eerste: de ring print u niet, maar draait u op een cnc-machine. Ten tweede: de klink print u in twee delen – beide rechtopstaand – waardoor er weinig supportstructuren nodig zijn, de invloed van warpage minimaal is en de delen zich afzonderlijk laten nabewerken.

Waar al deze oplossingen samenkomen, verandert de rol van de ontwerper. Hij wordt degene die de richting bepaalt, waar nodig bijstuurt en het resultaat controleert. Dat geeft hem meer invloed op een groter deel van het ontstaan van een product en meer verantwoordelijkheden. Belangrijk is dat de ontwerper meer oog krijgt voor een groter deel van de keten, dus ook voor nabewerking van metalen prints, meer dan dat hij er doorgaans aandacht voor heeft bij conventionele vervaardigingstechnieken. Want waar bijvoorbeeld zijn ontwerp een bepaalde oriëntatie en ondersteuning afdwingt, zou een andere ontwerpvariant weleens voordeliger kunnen uitvallen. Supportstructuren moeten immers ook worden geprint en dat gaat gepaard met extra materiaal en printtijd. Na het printen moeten de structuren bovendien worden verwijderd. Dat is veelal nog handwerk, dus tijdrovend en weinig constant in kwaliteit.

In de industrie valt daarom steeds vaker te beluisteren dat een ontwerper van in metaal te printen werkstukken niet alleen dient te ontwerpen, maar ook de oriëntatie ervan in de bouwkamer moet bepalen en over de ondersteuning moet nadenken. Dat is lastiger voor ontwerpers die hun designs extern laten printen, ver buiten hun zichtveld. Zij hebben doorgaans geen invloed op tal van printparameters, terwijl dat wel het geval zou moeten zijn.

Systemen die met een elektronenbundel werken in plaats van een laser laten iets meer toe. De bouwkamer ervan is wat warmer, waardoor de losse korrels een heel klein beetje aan elkaar kleven. Dat geeft steun, waardoor minder supportstructuren nodig zijn. Bovendien zijn de temperatuurverschillen wat geringer, met minder warpage tot gevolg.

Zones

Voor wie wat trefzekerder te werk wil gaan – zonder al te veel tijd te verliezen aan analyse – bestaat er een nog weinig gangbare, alternatieve benadering van het optimalisatievraagstuk. Deze aanpak is ook geschikt voor ontwerpers die niet zijn geholpen met welk compromis dan ook, omdat de betreffende tegenstellingen zich simpelweg niet laten verenigen. Deze benadering maakt gebruik van ‘zones’. Daarbij wordt het werkstuk opgedeeld in gebieden die weliswaar aaneen worden geprint, maar niet met dezelfde instellingen.

Elke zone wordt nadrukkelijk naar een enkele eigenschap geoptimaliseerd. Zo kunt u ervoor kiezen de ‘huid’ van een voorwerp zo ‘massief’ mogelijk te printen. Hoe dichter het materiaal is, hoe kleiner de kans dat het werkstuk inscheurt. U kunt dit bereiken door meer vermogen in de huid te stoppen of op een andere manier de energie per hoeveelheid poederbedoppervlak te verhogen. Met scanlijnen dichter op elkaar en/of een langzamere scanbeweging.

Met conformal cooling, waarbij de matrijskoeling zo snel als mogelijk plaatsvindt, zonder de kwaliteit geweld aan te doen, zijn de cyclustijden van een spuitgietproces tot wel twintig procent te verbeteren. Daarvoor is een fijn netwerk van koelkanalen nodig dicht onder het buitenoppervlak van de matrijskern. Van der Mast optimaliseerde deze matrijskern voor Addlab.

Eerder hadden we echter vastgesteld dat daarvoor het werkstuk meer moet worden opgestookt, met meer afwijkingen in de vorm als resultaat. Om bij die hogere energie-inbreng niet onnodig in te leveren op de geometrische nauwkeurigheid, kunt u ervoor kiezen het volume erbinnen met minder vermogen te scannen. Verder kunt u overwegen om het binnenvolume met een grotere spot te scannen, en daarbij telkens een laag over te slaan, terwijl u bij de huid wél elke laag scant. Dit zorgt er bovendien voor dat het werkstuk sneller klaar is. Dit is relevant, want ook bij 3d printen is tijd geld. Dit heeft te maken met de hoge machinekosten en de doorgaans lange printduur (tot enkele dagen).

Bewijs

In de industrie ontstaat meer aandacht voor design for additive manufacturing met digitale oplossingen die specifiek voor 3d geprinte metalen werkstukken zijn ontwikkeld. Ook voor de nabewerking ontstaat meer belangstelling, zij het langzaam. Deze aarzeling bevreemdt u wellicht, temeer omdat het doorgaans een arbeidsintensieve, tijdrovende bezigheid is om supportstructuren te verwijderen en het oppervlak strak af te werken. Toch lijkt de industrie vooralsnog meer geïnteresseerd in het maken van goede prints met een constante kwaliteit, mede door in het voortraject met cad en fea te investeren, en lijkt ze nog niet toe aan nabewerking.

Er valt nog een hoop uit te zoeken. De machines die nu in het veld staan, moeten als productiemiddel winstgevend blijken, om te voorkomen dat de industrie gedesillusioneerd achterblijft. Dit vereist nieuwe ontwerpen van vakbekwame designers. Ontwerpen die nadrukkelijk meerwaarde halen uit het potentieel van het 3d printen.