Stand van zaken en ontwikkelingen 3D Print Technologie Sjef van Gastel, Directeur Innovatieve Productietechnologie, Center of Expertise Hightech Systems & Materials 1
Inhoud Inleiding 3D printen (Additive Manufacturing) Wat is 3D printen? Kenmerken 3D printen Verschillen subtractief bewerken en additief bewerken Status 3D printen Overzicht belangrijkste 3D print technologieën Stand van zaken 3D printen SWOT analyse Toekomstige ontwikkelingen / 3D printing roadmap Trends (voorbeelden) 2
3D printen: Twee werelden. Professioneel 3D printen: beperkte aandacht Consument 3D printen: veel aandacht 3
4
Workflow Additive Manufacturing (AM) 5
Van CAD file naar.stl file Beschrijven van oppervlak van een voorwerp d.m.v. driehoeken 6
Van.STL file naar slicing file Opdelen van een voorwerp in plakjes 7
Vergelijking subtractieve met additieve productietechnologie Subtractief (Conventioneel bewerken) Additief (3D printen) Materiaal eigenschappen gegarandeerd Materiaal verwijderen kost geld Meerdere processtappen Vormgevingsvrijheid beperkt door bewerkingsmachine Slechtere buy-to-fly verhouding Hoogste kwaliteit (toleranties, oppervlaktekwaliteit) Materiaal eigenschappen zijn resultaat van zowel uitgangsmateriaal als van 3D printproces Materiaal toevoegen kost geld Beperkt (geringer) aantal processtappen (Bijna) onbeperkte vormgevingsvrijheid (Nog) Beperkte kwaliteit (toleranties, oppervlaktekwaliteit) 8
Vergelijking conventionele productietechnologie met 3D printen Kostprijs per stuk Kostprijs per stuk Levertijd Complexiteit Seriegrootte Complexiteit Conventionele productietechnologie 3D Printen 9
Status 3D printen (AM) voor machinebouw Veelbelovende nieuwe productietechnologie Verkorting time-to-market (minder bewerkingsstappen) Zeer grote vormgevingsvrijheid ( bijna alles is te maken ) Potentieel voor lagere productiekosten Grote mate van onbekendheid bij het bedrijfsleven Aarzeling om AM technologie toe te gaan passen ( onbekend maakt onbemind ) AM technologie is nog volop in ontwikkeling ( wanneer instappen? ) Eerste toepassingen voornamelijk van FDM technologie (prototypes) De meeste constructeurs zijn (nog) niet bekend met de mogelijkheden en beperkingen van 3D printen 10
Onderscheidende eigenschappen van additive manufacturing Maatwerk onderdelen Voorbeelden: Medische toepassingen, reverse engineering onderdelen (reserve onderdelen) Vormgevingsvrijheid ( Freeform parts ) Gekromde gaten en kanalen, rasterpatronen, gekromde oppervlakken Massareductie & stijfheidsoptimalisatie Materiaal alleen daar aanbrengen waar noodzakelijk (topologie optimalisatie) Variabele materiaaldichtheid, rasters ( lattices ) Integratie van functies Verminderen van aantal assemblagestappen (minder kosten, minder kans op fouten) Elastische scharnieren / manipulatie-elementen / intelligente structuren (kan leiden tot nieuwe constructieprincipes) Specifieke materiaaleigenschappen Voorbeelden: Anti reflecterend (mat) oppervlak voor optieken, Porositeit van gesinterde (SLS) onderdelen 11
Succesvolle 3D geprinte onderdelen (voorbeelden) GE90 straalmotor (o.a. Airbus A320, Boeing 737) LEAP brandstof inspuitnozzle(19 x): 25% lichter 18 x minder onderdelen: 5 x langere levensduur Arcam heupimplantaat: Betere pasvorm Betere acceptatie Langere levensduur Lagere kosten MAPAL QTD metaalboor: Inwendige vloeistofkoeling Grotere spaanafname Langere levensduur 12
Voorbeelden van topologie geoptimaliseerde onderdelen Ophangbeugel (Airbus) Beugel (Airbus) Topologie optimalisatie: Materiaal alleen daar plaatsen waar het waarde toevoegt 13
Hype cycle 3D printen Professioneel 3D printen is een volwassen technologie! Bron: Gartner, juli 2015 14
Bron: Roland Berger, VDMA, juni 2015 15
Nederland (2015): 16 bedrijven (ca. 20 machines) Bron: Roland Berger et al., juni 2015 16
Melotte AddLab Bron: Roland Berger, juni 2015 17
Additive Manufacturing proces categorieën (ASTM F2792) Proces Binder jetting Direct Energy Deposition Material extrusion Material jetting Powder bed fusion Sheet lamination Vat Photopolymerization Polymeren Metalen Keramiek Composieten Technologie BJ LMD FDM APF DoD MJM SLS SLM EBM DMLS LMD SLA DLP 18
Stereo Lithografie (SLA) Toepassingen: Schaalmodellen Rapid prototyping Modellen voor verloren was methode Voordelen: Relatief snel Grote afmetingen mogelijk Nabewerking mogelijk Nadelen: Producten zijn bros Beperkte materiaalkeuze Dure materialen (typ.: Eur 600/liter) 19
Digital Light Processing (DLP) Toepassingen: Sieraden Rapid prototyping Modellen voor verloren was methode Keramische onderdelen Voordelen: Erg snel Hoge nauwkeurigheid Keramiek mogelijk Disadvantages: Producten zijn bros Beperkte afmetingen mogelijk Dure materialen Verwijderen van support alleen handmatig mogelijk 20
Toepassing DLP: Printen van keramische onderdelen Voorbeeld: Admaflex technology (Admatec, Moergestel, NL) 21
Fused Deposition Modeling (FDM) Toepassingen: Generieke plastic onderdelen Technische kunststof onderdelen Rapid prototyping Voordelen: Goede mechanische sterkte Betaalbaar Veel materiaalsoorten beschikbaar Nadelen: Anisotroop Beperking in wanddikte Beperking in oppervlakteruwheid 22
Multi Jet Modeling (MJM) Toepassingen: Generieke plastic onderdelen Technische kunststof onderdelen Rapid prototyping Voordelen: Gladde oppervlakken Isotroop Hoge nauwkeurigheid Nadelen: Eigen (dure) materialen Beperkte mechanische sterkte 23
Arburg Plastic Freeforming (APF) Toepassingen: Technische kunststof onderdelen Hoogwaardige onderdelen Voordelen: Isotroop (in zelfde laag) Hoge nauwkeurigheid Goede mechanische sterkte Standaard granulaat Multi materialen mogelijk Nadelen: Eigen proces (Arburg) Anisotroop (tussen lagen) Beperkte ervaring tot nu toe 24
Powder Bed Fusion (PBF) Toepassingen: Machine onderdelen Technische onderdelen Metaal (RVS, Al, Ti,..), kunststof, keramiek Voordelen: Vormgevingsvrijheid Hoge nauwkeurigheid Goede mechanische sterkte Gedeeltelijk smelten (SLS, DMLS) of volledig smelten (SLM) Isotroop Nadelen: Poeder gebaseerd proces (verwijderen en reconditioneren van poeder) Ontwerprichtlijnen noodzakelijk Beperkte oppervlakteruwheid Aanzienlijke krimp na sinteren bij SLS 25
Laser Metal Deposition (LMD) Toepassingen: Reparatie van defecte onderdelen Laser cladding Combinatie AM en verspanende bewerking Voordelen: Geringe warmte inbreng Minimale spanningen en vervorming Snelle afkoeling Betaalbaar (reparatie van onderdelen) Ook geschikt voor aanbrengen van coatings Nadelen: Relatief onnauwkeurig In meeste gevallen nabewerking nodig Traag proces 26
Electron Beam Manufacturing (EBM) Toepassingen: Machine onderdelen Medische implantaten Metaal (RVS, Al, Ti,..) Voordelen: Vormgevingsvrijheid Sneller dan SLS/SLM proces Goede mechanische sterkte Isotroop Geen warmtebehandeling nodig Nadelen: Poeder gebaseerd proces (verwijderen en reconditioneren van poeder) Vacuüm proces Beperkte oppervlakteruwheid Minder nauwkeurig dan SLM Arcam (eigen) proces 27
Binder Jetting (BJ) Toepassingen: Prototype modellen Gietmodellen Zand, keramiek, polymeer Voordelen: Meerkleurendruk mogelijk Geen warmte inbreng in proces Geen support nodig (support op los poeder) Geschikt voor grotere onderdelen Nadelen: Poeder gebaseerd proces (verwijderen en reconditioneren van poeder) Matige mechanische sterkte Additionele warmtebehandeling / sinteren nodig om sterkte te verbeteren 28
Laminated Object Manufacturing (LOM) Toepassingen: Prototype modellen Schaalmodellen Papier, polymeer, composiet Voordelen: Snel Geen support nodig Geschikt voor grotere onderdelen Lage materiaalkosten Nadelen: Matige mechanische sterkte Matige oppervlaktekwaliteit 29
SWOT analyse Additive Manufacturing (Bron: SASAM, juni 2015) Sterktes E Supply chain met locale productie Topologie optimalisatie Multi materiaal mogelijk Productie on demand (batch 1) Duurzaam Goede buy-to-fly verhouding Kennisintensief, met veel kennis in EU Goede uitgangspositie voor EU Kansen Hybride processen (combi AM met conventioneel) Integratie van AM in bestaande productie Klant specifiek ontwerp Multi materiaal / slimme producten Hergebruik van materiaal Nieuwe materialen Nieuwe businessmodellen Kansen voor hightech machinebouw Zwaktes Onvoldoende proces standaardisatie Bouwsnelheid nog te laag Onvoldoende processtabiliteit en -controle Geen materiaal standaardisatie Materialen zijn duur Nauwkeurigheid / oppervlakteruwheid onvoldoende Geen specifieke (kwaliteits-) test beschikbaar Ontwerpers zijn niet opgeleid voor AM Niet v Bedreigingen Onvoldoende AM kennis bij technici Opkomst en groei van Aziatische AM aanbieders Aflopen van octrooirechten Ontwikkelingen in USA en Azië gaan snel (veel geld) 30
Strategische onderzoeksagenda AM 2015-2022 (technologie) Productiviteit Verhoging van productiesnelheid (verhogen scansnelheid, verhogen laservermogen, reductie van neventijden,..) Meten van producten tijdens productie Proces stabiliteit Integrale procesbewaking Verbeteren van nauwkeurigheden, verkleinen van toleranties Verbeteren oppervlaktekwaliteit en geometrische stabiliteit Kosten Reductie van uitval Reductie van (onproductieve) neventijden Verbeteren van materiaalgebruik en -handling 31
Strategische onderzoeksagenda AM 2015-2022 (technologie) Materialen Verbeteren van eigenschappen van geprinte materialen (o.a. vermoeiing, sterkte,..) Analyseren en valideren van materialen Ontwikkelen van nieuwe materialen voor AM Uitwisselbare procesparameters tussen diverse AM machines Proces- en productkwaliteit In-situ procesbewaking (sensoren) Ontwikkelen van ontwerprichtlijnen Verbeteren van proces om nabewerking zoveel mogelijk te beperken Product data Opzetten van materialen database Online kennisuitwisseling op gebied van processen en materialen 32
www.sasam.eu 33
Strategische research agenda AM 2015-2022 (algemeen) Training en educatie Ontwikkelen en geven van AM cursussen/opleidingen door universiteiten/hbo/mbo Certificatie van AM technici Opleidingen voor nieuwe business modellen Kennisuitwisseling stimuleren (m.n. EU/Azië/USA) Duurzaamheid en milieu Reductie energiegebruik Recycling van materialen Standaardisatie Opzetten van standaardisatie voor AM processen en parameters Opzetten en standaardiseren van AM testmethoden Wetgeving voor AM IP en productaansprakelijkheid 34
Hybride machines: AM & nabewerken Mazak Integrex i-400 AM Combinatie: LMD + 5 DOF verspanen Toepassing: (rotatiesymmetrische) (reserve)delen DMG Mori Lasertec65 3D Combinatie: LMD + 5 DOF verspanen Toepassing: (rotatiesymmetrische)(reserve)delen Fabrisonic Sonic Layer 4000 Combinatie: LOM + 3 DOF verspanen Toepassing: o.a. matrijzen, integratie electronica Matsuura Lumex Advance 25 Combinatie: SLM + 3 DOF verspanen Toepassing: o.a. matrijzen 35
SLM printer voor hoge snelheid: MetalFAB1 Bouwkamer 1 Bouwkamer 2 Oven Opslag Invoer/uitvoer Bron: Additive Industries, Eindhoven, NL) 36
Samenvatting AM biedt veel nieuwe, interessante, vormgevingsmogelijkheden voor de constructeur De kwaliteit van een 3D geprint onderdeel is het resultaat van zowel een goed ontwerpproces als van een goed voorbereid en uitgevoerd printproces AM is een volwaardige productietechnologie voor de metaalindustrie Unieke karakteristiek: Gratis vormgevingsvrijheid Meest toegepaste AM technologieën: FDM/SLS (kunststof), SLS/SLM (metaal) en DLP (keramiek) Belangrijkste trends en verbeteringen: Verbeteren van productiviteit, nauwkeurigheid, processtabiliteit en kostprijs Vergroten materiaalkeuze, verbeteren eigenschappen van geprinte materialen Hybride machines (combinatie 3D printen met nabewerken) Opleidingen ontwerprichtlijnen voor 3D printen 37
Voor meer informatie: Ir. Sjef van Gastel Fontys Hogeschool Engineering Rachelsmolen 1 Eindhoven (NL) Mail: s.vangastel@fontys.nl 38