Bij welke opdrachten moet je 3D-printen overwegen? En hoe te beginnen?
Additive manufacturing: afwachten is niet nodig
Veel metaalbedrijven in de Benelux zijn jobbers. Ze krijgen aanvragen voor onderdelen waarvan de klant de productietechniek meestal al heeft bepaald. Dat is een van de redenen waarom additive manufacturing hier nog altijd een nichetechnologie is. Maar moeten kleinere maakbedrijven blijven afwachten?
3D in de lift
Wereldwijd zit de verkoop van 3D-printers alweer enkele kwartalen in de lift. De groei komt vooral uit twee hoeken: goedkope filamentprinters aan de onderkant van de markt en high-endsystemen voor metaal en kunststoffen. Bij die laatste categorie stuwt onder meer de productie van drones de vraag naar hoogwaardige kunststofprinters.
De omzetgroei in metaal-AM-systemen wordt deels gedreven door fabrikanten van consumentenelektronica die metalen componenten additive gaan produceren. Die verschuiving is vooral zichtbaar bij behuizingen voor smartwatches en complexe interne onderdelen van high-endsmartphones, zoals scharnieren van vouwtelefoons, waar met name in Azië veel vraag naar is. Waar CNC-frezen lange tijd de standaard was, biedt 3D-printen nu de mogelijkheid om met minder materiaalverlies en meer geometrische vrijheid te produceren, zeker bij titanium en speciale legeringen.
Ook defensietoepassingen jagen investeringen in metaalprinters aan, vooral in de VS. Zo plaatste het Amerikaanse Beehive Industries bij EOS een order voor dertig M4 ONYX AM-systemen. Beehive gaat hiermee het aandrijfsysteem van drones produceren, nadat de Amerikaanse defensie dit heeft gekwalificeerd. Eveneens in de VS verschuift de productie van heup- en knie-implantaten van CNC-frezen naar additive manufacturing. De medische OEM's van dit type implantaat bieden de AM-variant inmiddels standaard aan. Tot slot geeft ook de AI-hype additive manufacturing een impuls. Een van de grootste uitdagingen bij AI-datacentra is de afvoer van serverwarmte; ook daarvoor worden de voordelen van 3D-metaalprinten steeds vaker benut.
Afwachten niet nodig
Veel metaalbedrijven in de Benelux zijn jobbers: hun klanten bepalen grotendeels wat ze willen en met welke technologie de componenten gemaakt moeten worden. Tegelijk rekenen vooral kleinere machinebouwers op hun toeleveranciers om de beste maakoplossing te vinden. Juist daar ligt een kans. Toeleveranciers creëren extra waarde wanneer ze kennis hebben van additive manufacturing en, nog belangrijker, van Design for Additive Manufacturing (DfAM). Welke klantvragen zouden hen moeten triggeren om 3D-printen serieus te overwegen?
Integratie van onderdelen
De eerste trigger is een machineonderdeel dat uit veel losse delen bestaat. Door die onderdelen samen te voegen tot één 3D-geprint ontwerp (part consolidation) dalen de assemblagekosten en vervallen verbindingen zoals lasnaden of bouten. Dat verhoogt de structurele integriteit en verkort de productiedoorlooptijd. Bij zeer nauwkeurige componenten kan 3D-metaalprinten soms zelfs tot een betere uitkomst leiden, hoewel de techniek op zichzelf minder nauwkeurig is dan bijvoorbeeld frezen of draaien. De winst zit dan in het samenvoegen van onderdelen tot één geheel: een nauwkeurigheid die via assemblage lastiger, of soms helemaal niet, te realiseren is.
Gewichtsbesparing
Een tweede belangrijke trigger is de vraag naar gewichtsbesparing zonder verlies aan sterkte. Wanneer een machinebouwer hogere energie-efficiëntie of snellere cyclustijden van bewegende delen nastreeft, kan topologie-optimalisatie uitkomst bieden.
Ook rasterstructuren maken het mogelijk de sterkte te behouden en tegelijk gewicht te besparen, doordat niet langer alles uit vol materiaal hoeft te bestaan. Met traditionele verspaning zijn zulke complexe, organische structuren vaak onmogelijk of te duur om te maken. Metaalprinten blinkt juist uit in het weglaten van materiaal waar dat constructief niet nodig is. Voor sommige metaalbedrijven klinkt het misschien als vloeken in de kerk, maar bepaalde kunststoffen benaderen tegenwoordig de mechanische eigenschappen van onder meer aluminium. Met koolstofvezel versterkte filamenten zijn voor veel toepassingen ruim voldoende, zeker wanneer daar al in het ontwerp rekening mee wordt gehouden. Dan kunnen ze een volwaardig alternatief zijn voor bepaalde metalen.
Daarnaast levert 3D-printen ook in de productie voordelen op. Het proces is grotendeels manarm; alleen in de werkvoorbereiding en eventuele nabewerking zijn nog handen nodig. Bij filamentprinten blijft die nabewerking beperkt. Ook bij polymeerpoederprinten kunnen nabewerkingsstappen inmiddels deels worden geautomatiseerd om ruwheid en materiaaleigenschappen te verbeteren. Vooral bij SLS-printen, waarbij kunststofpoederdeeltjes met een laser worden versmolten, zijn betaalbare machines beschikbaar die aanzienlijk minder kosten dan een vijfassig bewerkingscentrum.
Alternatief voor gieten?
Een derde trigger zijn lange levertijden voor complexe gietstukken. In plaats van maanden te wachten op een mal en het daaropvolgende gietproces, kan een jobber met AM-capaciteit hetzelfde onderdeel soms binnen één tot twee weken leveren. Dat is vooral relevant voor reserveonderdelen of prototypes die direct functioneel getest moeten worden.
Er is ook een tussenstap mogelijk: gietkernen printen met een zandmal en het onderdeel vervolgens traditioneel gieten. Deze aanpak combineert een gevalideerd en gecertificeerd gietproces met een veel kortere doorlooptijd en lagere kosten. Direct 3D-printen van zware werkstukken kan eveneens. Daarvoor wordt vaak WAAM-technologie ingezet: lichtboog-additive manufacturing. Sectoren zoals olie en gas hebben deze technologie inmiddels gecertificeerd en aan hun gereedschapskist toegevoegd. Zij gebruiken additive manufacturing steeds vaker om kritische vervangingsonderdelen te produceren. De kostenbesparing zit dan vooral in het wegvallen van voorraden die vaak jarenlang onaangeroerd blijven.
Het Nederlandse Castlab ontwikkelt momenteel een database waarin alle relevante technische data, inclusief werktekeningen van gietstukken, kunnen worden opgeslagen. Is een vervangingsdeel nodig, dan kunnen CNC-frezen, gieten en additive manufacturing op basis van zo'n twintig factoren met elkaar worden vergeleken.
Kennispartner worden
Door al in de herontwerpfase proactief mee te denken, verandert de toeleverancier van uitvoerende partij in kennispartner. Daarmee versterkt hij direct de concurrentiepositie van zijn opdrachtgevers. De investering zit dan niet alleen in het machinepark, maar vooral in het vermogen om klanten te wijzen op verborgen winst in hun eigen ontwerpen.
Voor kleine en middelgrote metaalbedrijven ligt de uitdaging in het opbouwen van AM-expertise terwijl de reguliere productie gewoon doorgaat. Dat vraagt om keuzes: welke technologie past bij het bedrijf en de klantenkring, en hoe wordt voldoende kennis opgebouwd over ontwerpen voor additive manufacturing? De technologiekeuze kan in het begin worden uitgesteld door samen te werken met 3D-printservicebedrijven. Uiteindelijk zal men echter zelf moeten kiezen en investeren om de volledige regie over het productieproces te houden en de marge in eigen huis te houden. Misschien wel de belangrijkste reden om AM-technologie zelf in huis te halen, is dat juist metaalbedrijven deze kunnen integreren in hun bestaande mechanische productie.
Dat is belangrijk, want vrijwel elk 3D-geprint metalen onderdeel vraagt nog om nabewerking. Verspanende bedrijven kunnen met hun kennis, ervaring en CNC-machinepark juist die stap optimaliseren en er voordeel uit halen.
Aanvullend en niet vervangend
Die investeringsbeslissing mag niet alleen afhangen van de aanschafprijs van een machine. Minstens zo belangrijk zijn de totale cost of ownership en de strategische waarde op lange termijn.
Een hoogwaardig metaal-AM-systeem, of het nu gaat om laserpoederbed, WAAM of laser-LMD, vervangt de CNC-frees- of draaimachine niet. Het voegt een extra gereedschap toe dat deuren opent naar markten waar complexe geometrieën en snelle iteraties de norm zijn. Om die meerwaarde te verzilveren, is wel een andere manier van denken nodig: Design for Additive Manufacturing. Daarbij staat de functionaliteit van het onderdeel centraal, niet de beperkingen van het gereedschap. Succesvolle integratie vraagt om een slimme, stapsgewijze aanpak. Begin praktisch met laaghangend fruit, zoals interne hulpmiddelen, mallen of robotgrijpers.
De faalkosten zijn dan laag en de leercurve is steil. Zodra de organisatie de workflow beheerst, van slicingsoftware tot fysieke nabewerking, kan de stap worden gezet naar de productie van onderdelen met additive manufacturing.
ECOLOGISCHE VOETAFDRUK VERBETEREN
De digitalisering van de supplychain, met digitale magazijnen, biedt de industrie kansen om de ecologische voetafdruk te verkleinen. In plaats van fysieke producten wereldwijd te verschepen, kan een digitaal bestand lokaal worden geproduceerd zodra het nodig is. Dit on-demandmodel vermindert materiaalverspilling en maakt grootschalige opslag van onderdelen minder noodzakelijk.
Voor de moderne jobber verschuift de focus daarmee van simpelweg draaien en frezen naar het beheren van digitale assets en het borgen van materiaalkwaliteit bij lokale productie. Een van de bedrijven die hiermee ervaring opdoet, is het Noorse olie- en gasbedrijf Equinor. Het plaatste al een eerste order voor de on-demandproductie van handwielen waarmee ventielen worden bediend. Alleen al in Noorwegen moeten jaarlijks 8.000 handwielen in meer dan duizend uitvoeringen worden vervangen.
DNV heeft inmiddels het eerste kunststof 3D-geprinte handwiel voor deze toepassing gecertificeerd. Naast het wegvallen van kostbare voorraad heeft het kunststof handwiel in een corrosieve omgeving nog een voordeel: een langere levensduur.
