IS 3D-PRINTEN DAN TOCH GEEN NICHETECHNOLOGIE?

Professor Van Hooreweder:
“Levensduur voorspellen cruciale factor"

De KU Leuven geldt als een van de wereldwijde pioniers op het vlak van additive manufacturing (AM). 3D-printen met metaal is hier al sinds begin de jaren negentig een belangrijke onderzoekstopic en de Vlaamse universiteit speelt wereldwijd nog steeds een voortrekkersrol in de verdere ontwikkeling van deze technologie. De onderzoeksgroep heeft wel keuzes moeten maken en werkt samen met andere onderzoeksinstellingen en universiteiten, omdat het aantal onderzoeksvragen door de enorme belangstelling voor AM 'geëxplodeerd' is.

ZELF ONTWIKKELDE SLM-MACHINE

Toen de KU Leuven in 1991 het onderzoek startte naar 3D-metaalprinten door het lasersmelten van opeenvolgende poederlagen, bestond daar nog geen machine voor. Die heeft het onderzoeksteam onder leiding van destijds professor Kruth daarom zelf gebouwd.

“Diezelfde machine gebruiken we nu nog steeds, al is ze door de jaren heen weliswaar voortdurend aangepast. Wereldwijd zijn wij bij de weinigen die over zo'n onderzoeksplatform beschikken", zegt professor Brecht Van Hooreweder, die sinds afgelopen voorjaar in Leuven de onderzoeksgroep Additive Manufacturing leidt, samen met professor Yang.

Parameters aanpassen

In twee opzichten is deze machine uniek. Allereerst kan het onderzoeksteam echt elke parameter en elk onderdeel van de machine en de optica aanpassen, doordat alles zelf is ontwikkeld.

“Als we iets willen doen met de gasstroom over het poederbed, of met een camera kijken hoe het poeder op het bed gedeponeerd wordt, kunnen we de machine hiervoor gemakkelijk aanpassen. In commercieel verkrijgbare machines, die we hier ook hebben, gaat dat niet of in elk geval lastiger", legt Van Hooreweder uit.

Laser met vacuümkamer

Het tweede punt waarop de Leuvense machine zich onderscheidt, is wellicht nog unieker. Destijds heeft men de machine voorzien van een vacuümkamer. Oorspronkelijk werd er namelijk een elektronenstraal gebruikt om metaalpoeder te smelten en die technologie vraagt om vacuüm in de bouwkamer. De elektronenstraalunit is later vervangen door een laser, maar de vacuümkamer is behouden. Hierdoor kunnen de onderzoekers het zuurstofgehalte veel verder reduceren dan andere fabrikanten dat kunnen. Met name voor het 3D-printen met reactieve materialen zoals titaan en aluminium, die door het contact met zuurstof oxideren, is dit een belangrijk voordeel.

“Veel fabrikanten worstelen met dit probleem. Ze zoeken naar oplossingen om het zuurstofgehalte verder te verminderen", weet de professor. Zo heeft het vroegere Layerwise, een spin-off van de KU Leuven, deze technologie overgenomen voor de eigen machines. “3D Systems heeft nu een machine die in essentie een voortzetting is van de onze", zegt Van Hooreweder.

Dat andere fabrikanten van 3D- metaalprinters niet overstappen op een vacuüm in de bouwkamer, heeft alles te maken met de nadelen: de constructie wordt hierdoor complexer en zwaarder, de eisen aan afdichtingen gaan omhoog en ook besturingstechnisch wordt het moeilijker.

ZUURSTOFGEHALTE KRITISCHE FACTOR

Toch is het zuurstofgehalte een belangrijk gegeven in het additieve proces. Professor Van Hooreweder wijst erop dat in veel wetenschappelijke publicaties rond additive manufacturing van kritische componenten het zuurstofgehalte in de bouwkamer tijdens het proces ontbreekt.

Titaan

“De zuurstof die aanwezig is in de bouwkamer tijdens het proces, zal in het smeltbad oplossen en in het metaalrooster achterblijven of tot oxides reageren. Bij bv. titaan en titaanlegeringen zal de opgeloste zuurstof leiden tot verminderde mechanische eigenschappen van het 3D-geprinte werkstuk."

Ook in Leuven is men pas na een poos gaan inzien hoe belangrijk het zuurstofgehalte is bij het werken met titaan. Dat heeft mede te maken met een van drie onderzoeksthema's waar de universiteit zich momenteel op concentreert: vermoeiingseigenschappen van 3D-geprinte metalen stukken en het voorspellen van hun levensduur. Dit is gaandeweg een onderzoeksthema geworden, omdat de onzekerheid over de levensduur misschien wel de grootste bottleneck is.

Levensduurvoorspelling

Momenteel is het moeilijk om de levensduur te voorspellen en is de spreiding van de levensduur van 3D-geprinte onderdelen vaak te groot. Een studie van meer dan 25 wetenschappelijke artikelen toont aan dat de spreiding op de levensduur bij titaanonderdelen, bij bepaalde belastingen, uiteenloopt van 10^3 tot 10^7 cycli. Ingenieurs kunnen moeilijk werken met een dergelijke grote spreiding van de levensduur. “In kritische toepassingen vragen ingenieurs zich af of het stuk wel voldoende lang meegaat", verduidelijkt de professor.

Volgens hem houdt deze onzekerheid - omdat er nog geen modellen voor bestaan - bedrijven soms af van het toepassen van additive manufacturing voor kritische componenten. Daarnaast wijst hij op het risico dat ingenieurs dan voor alle zekerheid hun designs overdimensioneren, waardoor uiteindelijk een belangrijk voordeel van 3D-printen - gewichtsbesparing - teniet wordt gedaan.

PROCESMONITORING

Het thema levensduurvoorspelling hangt nauw samen met procesmonitoring. Ook dat is in Leuven een belangrijk aandachtspunt. Momenteel voeren meerdere promovendi hun doctoraatsstudie rond dit onderwerp. Eigenlijk gebeurt dat hier al lang, want een van de oprichters van het vroegere Layerwise is tien jaar geleden gepromoveerd op dit onderwerp.

Techniek betrouwbaarder maken

“Procesmonitoring en -controle is echter moeilijker gebleken dan we eerst dachten. Dat heeft onder andere te maken met het feit dat we met onze sensoren slechts zien wat er in één laag gebeurt, terwijl we willen weten wat er gebeurt tussen twee smeltlagen in. Daar kunnen ook defecten ontstaan", haalt Van Hooreweder aan.

"We kunnen wel al heel goed terabytes aan data verzamelen, zoals de vorm en de lengte van het smeltbad dat door de laser gevormd wordt. En die kunnen we linken aan procesparameters. We weten bijvoorbeeld dat het proces-/smeltbad instabiel wordt bij een bepaalde scansnelheid, maar we kunnen het proces nog niet in real time bijsturen", aldus de professor. Dat is wel nodig om additive manufacturing betrouwbaarder te maken als productietechnologie voor kritische onderdelen.

Samenwerkingen

Van Hooreweder denkt wel dat dit binnen enkele jaren mogelijk zal zijn. Procesmonitoring en adaptieve procescontrole vormen de basis van een consistente productie met additive manufacturing. Om op dit punt door te pakken, werkt de KU Leuven tegenwoordig samen met Flanders Make en de Vrije Universiteit Brussel (VUB-BPhot), waar er meer expertise beschikbaar is op het vlak van optica en dataverwerking. “Het gaat om heel complexe materie, ook softwaretechnisch. Dat gaat buiten ons kennisdomein, vandaar dat we met anderen samenwerken", klinkt het. De KU Leuven is niet meer de enige die zich met dit onderzoeksthema bezighoudt. Een aantal grotere spelers in de AM-industrie hebben de eerste monitoringsystemen, deels gebaseerd op technologie uit Leuven, al in hun machines geïmplementeerd. De universiteit werkt ook met die bedrijven samen. Met een consortium van Vlaamse bedrijven, de UGent en de Universiteit van Trondheim in Noorwegen wordt dan weer samengewerkt op het vlak van vermoeiingsvoorspellingen.

“Door hun expertise aan de onze van het 3D- printproces te koppelen, willen we tot bruikbare tools komen. Want voor het voorspellen van de levensduur van 3D-geprinte stukken volstaan de klassieke modellen niet meer", weet de professor.

Materiaalstructuur

De rode draad door al deze onderzoeken is een fundamenteel beter begrip krijgen van wat er tijdens het printproces gebeurt met de materiaalstructuur.

“Dit fundamentele inzicht hebben we nodig om goede materialen te ontwikkelen, machines te optimaliseren en voor de kwaliteitsbewaking. Dit is echt nodig om de techniek te laten doorbreken", stelt Van Hooreweder.

HYBRIDE: SLM MET ULTRAKORTE PULSLASER

Een ander onderzoeksthema is de combinatie van laser/poederbedtechnologie (SLM) met een ultrakorte pulslaser voor het nabewerken van het oppervlak. Hybridetechnologie: additief en subtractief, waarbij voor dit laatste dan een laser wordt gebruikt in plaats van een klassieke frees.

Samen met de VUB ontwikkelt de KU Leuven een platform voor een dergelijk concept. De duur van de warmte-inbreng door de ultrakorte pulslaser is zo kort dat het materiaal niet smelt, maar verdampt. Door bijvoorbeeld de contouren van het werkstuk of bepaalde features na te bewerken met de ultrakorte pulslaser, kan men de oppervlakteruwheid sterk verbeteren. Het onderzoeksproject is net gestart; de eerste resultaten zijn positief. Zo lukt het om kleine gaatjes aan te brengen in een AM-stuk.

“Het voordeel van dit concept is dat het relatief eenvoudig in te passen is in de SLM-machines, omdat we alleen een extra laserbron nodig hebben. Deze gebruikt dezelfde optiek die al in de machine zit, evenals gelijkaardige aansturing en sensoren", aldus professor Van Hooreweder. Toch verwacht hij dat de universiteiten nog drie jaar zullen nodig hebben om de hybridetechniek volledig te testen en door te ontwikkelen.

BLIJFT AM EEN NICHETECHNOLOGIE?

3D printen staat vandaag enorm in de belangstelling. Tot voor enkele jaren dacht Van Hooreweder zelf dat additive manufacturing een nichetechniek zou blijven. Dat beeld is echter stilaan veranderd.

“Ik zie nu grote (bio)medische, automotive en luchtvaartbedrijven in groten getale 3D-printers kopen, ook voor de massaproductie. Daarom begin ik te twijfelen of het wel een nichetechnologie blijft. Zodra grote bedrijven deze stap zetten, kunnen zij de hele keten van toeleveranciers meetrekken. Je ziet bijvoorbeeld bedrijven die poeders maken voor AM, als paddenstoelen uit de grond schieten. Dan kan additive manufacturing toch wel gaan doorbreken."

Wanneer de technologie nu precies rijp is voor de gemiddelde kmo in de maakindustrie, is moeilijk in te schatten. Dit hangt volgens de professor ook af van de toepassing, want je hebt niet altijd laser/poederbedtechnologie nodig.