Steeds meer keuze uit materialen: nieuwe productiemethoden bieden meer flexibiliteit en ontwerpvrijheid

Huizen bouwen, werktuigen produceren en levend weefsel bewerken. Dat kan met 3D-printen. Een overzicht van additief produceren met alle eigenschappen, voor- en nadelen en het potentieel voor de toekomst.

Onderzoekers van Stanford University willen een functionerend menselijk hart printen. Een micro-straalturbine uit de 3D-printer van het Amerikaans bedrijf PTC (zie foto). Met ‘additive manufacturing’ studie-modellen maken van menselijke organen voor de opleiding van artsen. Met een enorme 3D-printer wordt in Heidelberg Europa’s grootste gebouw (54 x 11 x 9 m hoog) neergezet.

3D-printen is het smelten van materiaal tot een langgerekte draad, die vervolgens laag voor laag op elkaar wordt gelegd om zo een driedimensionaal product op te bouwen. Dat materiaal kan een metaal zijn, een kunststof, maar ook materie van biologische oorsprong. De belangrijkste beperking van 3D-printen is de lage productiesnelheid en de kwaliteit van het productoppervlak, waardoor nabehandeling nodig is, aldus de publicatie ‘Was ist additive Fertigung? Definition, Anwendung, Potenzial’ van de Verein Deutscher Ingenieure (VDI).

Kopjes en schotels

Additieve productie – ofwel 3D-printen – is een nog jonge techniek. Het is in 1986 begonnen met stereolithografie: het met een laser belichten van een vloeibare kunststof die daardoor uithardt.

Optimistische visies uit die tijd hielden in dat er op termijn in elk huis een 3D-printer zou staan, om kapotte kopjes en schotels te vervangen. Dat visioen is nooit werkelijkheid geworden. Additief produceren manifesteert zich steeds meer als een techniek met toepassingen in grote en kleine bedrijven. Daarnaast is er ook nog plaats voor 3D-printen als hobby.

Sinds eind jaren negentig verschijnen er nieuwe productiemethoden (de VDI-publicatie onderscheidt er zes) en wordt 3D-printen mogelijk met steeds meer materialen. Dat biedt de industrie nieuwe mogelijkheden voor wat betreft flexibiliteit en ontwerpvrijheid, met name bij de productie van prototypen en werktuigen, en soms ook bij serieproductie.

Deze productietechniek vindt toepassing in de industrie, in de modelbouw en ook in R&D. Het is met name geschikt voor de bouw van prototypen, werktuigen en unieke producten. Repareren of verbeteren van deze producten is ook mogelijk.

De laagsgewijze opbouw verloopt computergestuurd met vooraf ingegeven maten en vormen. Het proces maakt gebruik van zowel vloeibare als vaste materialen, onder toevoeging van chemische hardings- of smeltproducten. Er zijn naast de 3D-printer geen andere werktuigen nodig.

Materiaalsoorten

‘Was ist additive Fertigung’ noemt de meest toegepaste materiaalsoorten voor 3D-printen zijn, in volgorde:

• Polymeren: waaronder ABS, PA, Nylon
• Metalen zoals staal, aluminium, titanium, nikkel, koper
• Keramische materialen: zirconiumoxide, aluminiumoxide, siliciumnitride, glas
• Biomaterialen: hydrogel, collageen, cellulose

Ze worden gebruikt in de vorm van poeder, granulaat, vezel, vloeistof of draad. Het meest gebruikt zijn vezels en draden. De industrie gebruikt vooral metalen en kunststoffen, in de vorm van poeder en ook draad. Granulaten zijn grover dan poeder; vaak gaat het dan om kunststof. Daarmee kunnen relatief goedkoop werkstukken worden gebouwd. Voor zeer precieze en zwaar belaste onderdelen leent het zich echter niet. De meest gebruikte kunststof is ABS, vanwege de betere materiaaleigenschappen. PLA vindt vooral toepassing in de hobbysector. Met beton lukt het overigens ook, met vaak reusachtige printers.

Voor de automobielindustrie biedt deze techniek kansen omdat het lichtere producten mogelijk maakt, evenals kortere ontwikkeltijden. Het is soms mogelijk om voorheen meerdere componenten tot één nieuw product samen te voegen. Het kan ook van betekenis zijn voor productie van reserve-onderdelen. Volkswagen heeft in de fabriek in Wolfsburg dertien 3D-printers staan, allemaal voor de productie van prototypen.

Voordelen

Zoals elke techniek kent ook 3D-printen sterktes en zwaktes, voor- en nadelen. Het voordeel van additieve productie: individueel, materiaalbesparend en maakt complexe vormen mogelijk. Er wordt niet meer materiaal gebruikt dan voor het werkstuk nodig is, hoewel het niet helemaal vrij van afvalstoffen gaat.

Voor additief produceren is slechts één machine nodig, dat verkort de productieketen. Producten kunnen snel aan individuele behoeften worden aangepast. Op deze manier geproduceerde hartkleppen kunnen aan de persoonlijke omstandigheden van elke patiënt worden toegesneden. Dat is goedkoper, gaat sneller en maakt kortere procesketens mogelijk. Een enkel product is soms binnen enkele uren beschikbaar.

Nadelen

3D-printen kent echter ook beperkingen. Door de laagsgewijze opbouw krijgen producten vaak niet de gewenste oppervlaktestructuur. Vooral bij metalen voorwerpen is uitgebreide nabewerking nodig. Het printen van metaal en hout is lastiger dan met kunststof.

Deze fabricagetechniek leent zich niet of nauwelijks voor serieproductie. Daarvoor gaat 3D-printen te langzaam. En de afmetingen van de printer legt beperkingen op aan het te produceren product.

Deze techniek kent ook storingen. Soms weigert de printer, vanwege een gebroken filament, soms is de spuitmond verstopt. Het komt ook voor dat de lagen waarmee het product wordt opgebouwd niet goed plakken. Een andere keer is de kwaliteit van het opgebouwde product niet overal gelijk.

Weinig afval

Met additieve productie kunnen vele verschillende objecten worden gemaakt, die op een andere manier moeilijk of helemaal niet mogelijk zijn. Enkele toepassingsmogelijkheden zijn, aldus de publicatie ‘Was ist additive Fertigung’:

• Medische implantaten, tandkronen en -bruggen
• Warmtewisselaars met fijne roosterstructuren
• Coaten en repareren van versleten onderdelen
• Machine- en productiewerktuigen
• Lichte componenten voor lucht- en ruimtevaart
• Bioprinten van levend weefsel zoals spieren, huid en kraakbeen
• Bouw van huizen of delen daarvan voor de bouw

Deze voorbeelden laten zien dat additieve productie in bijna alle branches kan worden toegepast, In zijn baste vorm zijn er geïndividualiseerde producten mogelijk met weinig materiaalverbruik en weinig afval. Vaak gaat dat ook gepaard met korte ontwikkelings- en productietrajecten.