NLR gaat vliegtuigbouwconstructies printen met extruders van Cead

NLR is van start gegaan met de ontwikkeling van grote constructies voor de luchtvaart met een printkop van Cead uit Delft. Cead legt zich toe op het robotprinten van omvangrijke onderdelen (tot tientallen meters) uit vezelversterkte thermoplastische materialen. NLR combineert de printkop (een kunststof extruder) met een Kuka-robot.

Het NLR-onderzoek wil twee dingen bereiken: één is gewichtsbesparing in luchtvaartconstructies, daarnaast is het streven om productieprocessen van dit soort onderdelen te versnellen. 3D-opbouwen biedt verder nog een leuk voordeel. De materiaalverspilling tijdens de productie is minimaal.

Duurzaamheid is een sterk opkomende trend in de luchtvaart en het gewicht van een vliegtuig is daarbij belangrijk. Hoe lager, hoe minder het brandstofverbruik en hoe lager de emissies. Dit is onder meer te bereiken door het huidige aluminium en titanium te vervangen door sterke en stijve composietmaterialen. Het is precies het materiaal waarvoor Caed zijn 3D-printers ontwikkelt: kunststoffen met een vezelmix. In tegenstelling tot de huidige harde composietmaterialen waaruit vliegtuigvleugels en windturbinebladen nu bestaan is dit materiaal te recyclen legde ceo Lucas Janssen onlangs uit in het blad Delft Stadsbreed. ‘[Ons materiaal] kan je aan het einde van de levensduur weer in stukjes hakken, smelten en weer opnieuw gebruiken om iets anders mee te printen.’

Industrieel ontwerpen en werktuigbouw

Cead (Connecting Engineering And Design) werd ruim acht jaar geleden opgericht door de Delftse studenten Lucas Janssen en Maarten Logtenberg. Janssen studeerde industrieel ontwerpen en Logtenberg werktuigbouwkunde. Samen begonnen ze naast hun studie te experimenteren met 3D-printen. Dat begon klein, maar intussen richt het tweetal met een dertigkoppig team zich op grootschalig opbouwen van composieten. Eind vorig jaar installeerden ze een systeem bij een jachtbouwer dat objecten tot 36 meter kan printen.

In het Delftse stadsblad legt Janssen uit dat Cead profiteert van zowel de-globalisering als het gebrek aan arbeidskrachten. Veel composietbouw verdween in de afgelopen decennia naar Azië omdat het zwaar en ongezond werk was. Robotisering kan die trend nu omkeren. Het voorkomt bovendien dure transporten.

NLR onderzoekt nu de technologie omdat het ‘alle voordelen van 3D-printen naar een grote schaal brengt’, aldus NLR in een recent artikel. De r&d bij NLR werkt met een opstelling van 2 bij 2 meter.

Mobiliteitsfonds

De ontwikkeling bij NLR wordt gefinancierd door het programma Mobiliteitsfonds, waarmee de Nederlandse overheid het bedrijfsleven een nieuwe impuls wil geven in de richting van een duurzamere luchtvaart. Doel is de hoge kwaliteitsniveaus van de luchtvaartsector te halen met de productiesnelheden die men in automotive gewend is.

Het Large-Scale Additive Manufacturing (LSam)-proces bij NLR is onderdeel van het grotere Acasiasproject, dat als doel heeft de luchtvaart te verduurzamen en met 3D-productietechnieken ook elektronica en antennes voor bijvoorbeeld GPS en satellietcommunicatie te integreren in constructies. Binnen Acasias is ook aandacht voor robotondersteund lassen van kunststoffen, digitaliseren van het lasproces en het materiaalkundige aspecten van thermoplasten.

Nauwkeurig balanceren

LSam draait om het laag voor laag afzetten van materiaal. Daarvoor wordt een extruder van Cead gekoppeld aan een robot. ‘Een van de belangrijkste uitdagingen van LSam is het vinden van de optimale laagtijd, de tijd die nodig is om één volledige laag te printen’, legt Ana Ramirez de las Heras, r&d-ingenieur bij NLR, uit. ‘Als de gekozen laagtijd te kort is, dan krijgt de vorige laag niet genoeg tijd om af te koelen en zal de volgende laag inzakken. Is de laagtijd te lang, dan stolt het materiaal en is de binding met de volgende laag zwak, wat leidt tot slechte mechanische eigenschappen in het eindproduct.’ De laagtijd is bovendien afhankelijk van het materiaal.

Daarom besteedt NLR veel aandacht aan de temperatuurregeling en de toepassing van infrarood- of laserverwarming. De verwachting is dat die de mogelijkheden van de technologie zullen vergroten.

De materialen moeten natuurlijk voldoen aan de kwaliteits- en veiligheidseisen voor de luchtvaart. De huidige focus ligt op koolstofvezelversterkte thermoplasten als PEEK, low-melt PAEK en PPS. ‘Deze zijn in zeer veeleisende toepassingen te gebruiken’, aldus Ramirez de las Heras. ‘Maar het is een grotere uitdaging om ze met deze technologie te verwerken.’