Mon Jan 18 2021

01 18

3D metaal printen wordt industrieel

27/11/2020

Door Ad Spijkers

Het versnellen van additive manufacturing van metalen componenten met minstens een factor tien was het doel van "futureAM - Next Generation Additive Manufacturing".


     

In de periode van 2017 tot het einde van het project in november 2020 hebben zes Fraunhofer-instituten gezamenlijk technologische sprongen gemaakt op het gebied van systeemtechnologie, materialen en procesbeheer. Ook zijn stappen gezet in digitalisering, waardoor de efficiëntie en economie van additief metaal produceren in de hele procesketen werd verhoogd.

FutureAM

De activiteiten van FutureAM zijn enerzijds gericht op digitale en fysieke waardecreatie van inkomende bestellingen tot afgewerkte metalen 3D-geprinte component. Anderzijds is de sprong gemaakt naar een nieuwe generatie additieve productietechnologie. Het Virtual Lab bundelde competenties digitaal en maakte het hele AM-proces transparant voor alle betrokken partners. De opgedane expertise wordt nu overgedragen naar industriële toepassing.

Een grote uitdaging was de interactie tussen alle instituten, die soms heel verschillende gebieden van de hele procesketen bestrijken. Het Virtual Lab is een digitaal platform voor de uitwisseling tussen alle taken en deelnemers. Zo zijn bijvoorbeeld verschillende softwaretools ontwikkeld voor het ontwerp van AM-componenten. Op deze manier op het web gebaseerde simulatietools ontstaan waarmee zelfs beginners kunnen werken.

Multi-materiaal en XXL componenten

Ook is onderzocht welke materialen in een component kunnen worden gecombineerd en welke problemen zich daarbij voordoen. De onderzoekers hielden zich onder meer bezig met de uitbreiding van het assortiment additief verwerkbare hoge temperatuur materialen die kunnen worden gebruikt. Ook onderzochten ze hoe deze kunnen worden toegepast in een multi-materiaal constructie.

Het samenspel van lasermateriaalafzetting (LMD) en kunstmatige intelligentie (AI) onthulde een opwindend resultaat. Met behulp van door AI ondersteunde procesanalyse kon een breed scala aan beïnvloedende factoren worden geanalyseerd en kon het productieproces worden geoptimaliseerd. Zo printte het Fraunhofer-Institut componenten uit nikkel en aluminium. Afhankelijk van de componentvereisten voegen de onderzoekers optioneel een derde of vierde element toe om de eigenschappen exact aan de betreffende toepassing aan te passen.

Fraunhofer IAPT multifysische simulatie 720

Componentontwerp met behulp van multifysische simulaties voor het genereren van 3D-modellen die geschikt zijn voor productie.

De wetenschappers ontwikkelden ook een demonstratiesysteem voor 3D-printcomponenten op XXL-schaal. Dankzij Laser Powder Bed Fusion (LPBF) werd in een grote installatieruimte (1000 mm x 800 mm x 400 mm) een demonstratiecomponent voor toekomstige generaties Rolls-Royce motoren gecreëerd.

Vergelijkbare successen werden behaald met extreem hoge snelheid laser depositie lassen (EHLA), dat nu ook kan worden gebruikt om 3D-componenten te vervaardigen. Het nieuw ontwikkelde proces maakt extreme toepassingssnelheden met een hoge detailresolutie mogelijk.

Geautomatiseerde nabewerking

De onderzoekers ontdekten ook een groot potentieel voor optimalisatie in de nabewerking. Ze ontwikkelden als onderdeel van het project een geautomatiseerde oplossing hiervoor. Om de fysieke component eenduidig te identificeren en altijd te kunnen traceren, wordt tijdens de productie een code aangebracht en later uitgelezen. Dit zorgt ook voor een efficiënte en probleemloze kopieerbeveiliging.

In de volgende stap wordt de werkelijke geometrie van het onderdeel vastgelegd door laserscanners en wordt de optimale bewerkingsstrategie afgeleid door gewenste en werkelijke geometrie te vergelijken. De verwerking wordt vervolgens automatisch uitgevoerd door een robot en geverifieerd door middel van nieuwe 3D-scans.

Foto's: Fraunhofer Institut