Additief produceren van metaal: Een uitgebreide gids

Overzicht van additief produceren van metaal

Metaal additieve productieook wel metaal 3D printen genoemd, is een transformatieve technologie voor het snel produceren van metalen onderdelen direct vanuit 3D modelgegevens. In tegenstelling tot subtractieve productiemethoden zoals CNC-verspaning waarbij materiaal wordt verwijderd, worden bij additieve productie onderdelen laag voor laag opgebouwd uit metalen zoals roestvrij staal, aluminium, titanium, nikkellegeringen en meer.

Vergeleken met traditionele productie biedt metaal-AM meer ontwerpvrijheid, maatwerk en optimalisatie, waardoor gewicht, materiaalgebruik en doorlooptijden kunnen worden teruggebracht. Onderdelen kunnen worden samengevoegd tot één stuk, worden voorzien van conforme koelkanalen of worden ontworpen met organische vormen die niet mogelijk zijn met gieten of machinaal bewerken. Metaal 3D printen biedt nieuwe mogelijkheden voor innovatie in industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, medisch, auto-industrie en energie.

Deze uitgebreide gids biedt technische details over de verschillende metaal AM processen, materialen, toepassingen, voordelen en beperkingen. De belangrijkste informatie wordt gepresenteerd in gemakkelijk te vergelijken tabellen om de mogelijkheden en nadelen van de verschillende metaal 3D printtechnologieën te benadrukken. Lees verder voor een diepgaande blik op hoe additive manufacturing een revolutie teweegbrengt in de metaalproductie.

Belangrijkste hoogtepunten van Additive Manufacturing van metaal:

• Produceert volledig dichte metalen onderdelen voor eindgebruik vanuit digitale 3D CAD-modellen
• Voegt materiaal laag voor laag toe, in tegenstelling tot subtractieve methoden zoals machinale bewerking
• Maakt complexe, geoptimaliseerde geometrieën mogelijk die niet mogelijk zijn met gieten of machinaal bewerken
• Vermindert afval, energieverbruik en doorlooptijden in vergelijking met traditionele technieken
• Maakt snelle prototyping en directe productie van onderdelen mogelijk
• Uitbreiding van toepassingen in de ruimtevaart, medische sector, auto-industrie en andere sectoren

Soorten processen voor additief produceren van metaal

Er zijn verschillende benaderingen om metalen onderdelen additief te printen. De belangrijkste AM-procescategorieën zijn poederbedfusie, gerichte energiedepositie, bindmiddelstralen en plaatlamineren. Elk heeft unieke mogelijkheden op het gebied van materialen, nauwkeurigheid, kosten en meer.

Tabel 1: Overzicht van de belangrijkste processen voor additieve metaalproductie

Poederbedfusie Technieken als selectief lasersmelten (SLM) en elektronenstraalsmelten (EBM) zijn momenteel de meest gebruikte AM-metaalprocessen. Ze bieden een hoge resolutie die vergelijkbaar is met machinale bewerking, goede materiaaleigenschappen en een breed scala aan metalen, van roestvrij staal tot legeringen op nikkelbasis. De grondstof is een fijn metaalpoeder dat in lagen wordt uitgespreid en selectief wordt gesmolten door een gerichte warmtebron in een kamer met gecontroleerde atmosfeer.

Gerichte energiedepositie Methoden zoals laser engineered net shaping (LENS) richten een smeltbad op een substraat en voegen continu materiaal toe. Hierdoor kunnen onderdelen met grotere afmetingen worden opgebouwd door gesmolten poeder of draad toe te voegen. De resolutie is lager, maar de bouwgrootte is niet beperkt zoals bij poederbedmethoden. Er is minder nabewerking nodig, maar de oppervlakteafwerking is slechter.

Binder spuiten maakt gebruik van vloeibaar bindmiddel om lagen metaalpoeder samen te voegen. De resulterende "groene" onderdelen moeten dan worden gesinterd en geïnfiltreerd met koper of brons om volledige dichtheid te bereiken. Hoewel de materiaalopties momenteel beperkt zijn, kan binder jetting grote aantallen kleine ingewikkelde metalen onderdelen betaalbaarder produceren.

Lamineren van vellen lijmt dunne lagen plaatmetaal aan elkaar of last ze aan elkaar. Lasers of CNC-bewerking snijden de stapel vervolgens in een 3D-vorm. Dit biedt een goede nauwkeurigheid, maar heeft geometrische beperkingen op basis van de plaatdikte.

Elk proces heeft zijn voordelen en best passende toepassingen. Het kiezen van de juiste metaal AM technologie hangt af van factoren zoals materiaalvereisten, precisie, oppervlakteafwerking, batchgrootte en kosten.

Materialen voor additieve metaalproductie

Een breed scala aan metalen, van roestvrij staal tot superlegeringen, kan worden geprint met poederbedfusie, gerichte energiedepositie, bindmiddelstralen en plaatlaminagemethoden. De meest gebruikte AM-metaalmaterialen zijn onder andere:

Tabel 2: Gebruikelijke materialen voor additief produceren van metaal

Roestvrij staal zoals 316L en 17-4PH worden veel gebruikt in verschillende industrieën dankzij hun sterkte, corrosiebestendigheid en relatief gemak bij het drukken en nabewerken.

Aluminium legeringen zoals AlSi10Mg lichtgewicht onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie mogelijk maken die moeilijk te bewerken of te gieten zijn.

Titanium legeringen zoals Ti64 hebben een hoge sterkte-gewichtsverhouding die ideaal is voor structurele onderdelen, samen met biocompatibiliteit.

Nikkel superlegering poeder zoals Inconel 718 en 625 hebben uitstekende mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen voor veeleisende toepassingen.

Kobaltchroomlegering poeder hebben een hoge stijfheid, biocompatibiliteit en slijtvastheid die geschikt zijn voor medische implantaten en gereedschappen.

Gereedschapsstaal zoals H13, D2 en Maragingstaal bieden een zeer hoge hardheid, sterkte en thermische stabiliteit voor gereedschappen zoals spuitgietmatrijzen of smeedmatrijzen.

R&D-inspanningen breiden de lijst van metalen uit die compatibel zijn met AM-processen. Meer exotische legeringen zoals edelgoud of platina worden ook gebruikt voor gespecialiseerde toepassingen zoals juwelen of elektronica.

Specificaties voor additieve metaalproductie

Sleutelfactoren die de mogelijkheden van een metaal AM machine bepalen zijn bouwvolume, laagresolutie, precisie en ondersteunde materialen. Vereisten zoals nauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en warmtebehandeling hangen af van de specifieke toepassing.

Tabel 3: Specificaties en mogelijkheden van metaal-AM-apparatuur

Bouw volume voor de meeste poederbed- en gerichte energiesystemen varieert van een paar kubieke inch tot ongeveer een kubieke voet. Grotere apparatuur is beschikbaar voor binder jetting of plaatlamineerprocessen.

Laagdikte tijdens het bouwproces kan variëren van 20-100 micron voor een fijne resolutie in de orde van een machinale afwerking. Dunnere lagen verbeteren de oppervlakteafwerking maar verlengen ook de bouwtijd.

Precisie haalbaar is ±0,1-0,2 mm voor poederbedfusie en ±0,5 mm voor gerichte energiedepositie, afhankelijk van de specifieke AM-machine die gebruikt wordt.

Bereikbaar oppervlakteafwerking in de huidige staat varieert van 10-25 micron (Ra) en 20-100 micron (Rz), maar er zijn nabewerkingen nodig zoals slijpen om dit te verbeteren.

Vrijwel elke metaallegering van roestvrije stalen naar titanium en nikkellegeringen kan worden geprint, waarbij de materiaalkeuze de afgelopen jaren is verdubbeld.

Leveranciers van apparatuur voor additieve metaalproductie

Een aantal bedrijven levert industriële AM-metaalsystemen en printdiensten. De toonaangevende leveranciers die poederbedfusie, directed energy deposition, binder jetting en plaatlamineerapparatuur aanbieden zijn onder andere:

Tabel 4: Belangrijkste leveranciers van systemen voor additieve metaalproductie

Duits bedrijf EOS is pionier op het gebied van DMLS-technologie (Direct Metal Laser Sintering) en biedt een breed scala aan industriële printers voor metalen zoals titanium, aluminium en nikkellegeringen.

SLM-oplossingen levert ook poederbedfusieapparatuur die staal, titanium, aluminium en andere metalen kan verwerken met bouwvolumes tot 500 kubieke inch.

HP, Desktop Metaal, en ExEen leverage binder jetting gericht op de productie van grote volumes kleine, complexe onderdelen van roestvrij staal of gelegeerd staal.

Sciaky en Optomec Gerichte energieafzetsystemen leveren voor het op grote schaal afdrukken van metalen met behulp van superlegeringen van titanium, aluminium en nikkel.

Fabrisonisch maakt gebruik van gepatenteerde ultrasone additieve productie om bedrading, sensoren en meer in metalen onderdelen in te bouwen.

Metalen AM-apparatuur varieert meestal van $100.000 tot $1 miljoen+ in initiële kapitaalinvestering, afhankelijk van de productiecapaciteit, hoewel de prijzen snel dalen. De materiaalkosten variëren sterk afhankelijk van de specifieke legering die wordt gebruikt.

Toepassingen voor additief produceren van metaal

Additive manufacturing van metaal biedt nieuwe ontwerpvrijheid en mogelijkheden die zeer geschikt zijn voor de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en algemene industriële toepassingen zoals:

Lucht- en ruimtevaart: Lichtgewicht beugels en complexe structuren, motoronderdelen met conforme koeling en consolidatie van onderdelen om gewicht, materiaalgebruik en doorlooptijden te verminderen.

Medisch: Aangepaste orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten met dunne wanden en rasterstructuren om de osseo-integratie met het bot te verbeteren, tandheelkundige restauraties

Automobiel: Lichtgewicht rasterstructuren, mass customization van componenten, tooling zoals mallen en opspansystemen om de workflow in de fabriek te verbeteren.

Industrieel/consument: Verlichting, meubilair, sportartikelen en muziekinstrumenten met organische vormen, mass customization en lichtgewicht rasterstructuren.

Gereedschap: Conforme koelkanalen kunnen worden ingebouwd in spuitgietmatrijzen, matrijzen en inzetgereedschap om cyclustijden te verkorten. Snelle doorlooptijd van reservegereedschaponderdelen.

Olie gas: Pijpleidingfittingen op maat, structurele onderdelen zoals booreilanden en klepblokken voor hoge druk/corrosieve omgevingen.

De technologie wordt ook gebruikt voor het snel maken van gereedschappen, opspansystemen en prototypes voor productontwikkeling in vele industrieën. Hieronder staan enkele voorbeelden van metaal AM toepassingen en voordelen ten opzichte van conventionele productie:

Tabel 5: Toepassingen en voordelen van additief produceren van metaal

Additive manufacturing geeft ingenieurs een ongekende ontwerpvrijheid om metalen onderdelen te maken die niet mogelijk of economisch zijn met gieten, machinale bewerking of andere conventionele productietechnieken.

Voordelen en nadelen van Metal AM

Vergeleken met subtractieve fabricage en andere traditionele metaalbewerkingsmethoden biedt AM een aantal belangrijke voordelen, maar ook beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden:

Tabel 6: Additief produceren van metaal - voor- en nadelen

De belangrijkste voordelen van metaal AM zijn ontwerpvrijheid, deelconsolidatie, maatwerk, En snellere productontwikkeling cycli. Lichtgewicht en materiaalbesparing zijn ook mogelijk voor industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie.

De kleinere bouwvolumeshoger kostenen gebrek aan materiaal beschikbaarheid op commerciële schaal blijven barrières ten opzichte van traditionele productie. De meeste metaal AM-toepassingen zijn het meest geschikt voor lage tot middelhoge productievolumes waarbij de voordelen van maatwerk en doorlooptijdverkorting opwegen tegen de hogere kosten van geprinte onderdelen op dit moment.

Naarmate de prijzen van metaal AM-apparatuur en materialen dalen, zullen de productievolumes en toepassingen in steeds meer sectoren toenemen. Met de vooruitgang in kwaliteit en grotere bouwgroottes, zal het gebruik voor massaproductie versnellen.

De toekomst van de productie van metaaladditieven

Hoewel metaal additive manufacturing nog steeds een opkomende technologie is, is het klaar voor een aanzienlijke groei in de komende jaren. Uitbreiding van de toepassingen, nieuwe spelers en een toenemende acceptatie in de toeleveringsketens zullen de expansie van de markt stimuleren.

• De wereldwijde AM-metaalmarkt zal naar verwachting meer dan $15 miljard bedragen in 2028, meer dan een verdubbeling sinds 2021. De lucht- en ruimtevaart en de medische sector zullen naar verwachting goed zijn voor meer dan 50% van de vraag.
• Systeemfabrikanten ontwikkelen machines met een groter productievolume, meerdere lasers en apparatuur met een hogere productiviteit, gericht op seriële productietoepassingen.
• Naast nikkelsuperlegeringen komen er steeds meer materialen beschikbaar, waaronder aluminium en staal met een hogere sterkte, edelmetalen, magnesium, gereedschapsstaal en nog veel meer.
• Kwaliteit en herhaalbaarheid worden steeds beter dankzij geavanceerde machinebesturingen, software en gestroomlijnde workflows om vallen en opstaan tot een minimum te beperken.
• De optimalisatie van de toeleveringsketen via AM wint aan populariteit in verschillende industrieën naarmate de doorlooptijden korter worden en de technologie kosteneffectiever wordt voor componenten voor eindgebruik in plaats van alleen prototypes.
• Aangepaste, gedecentraliseerde productie kan de risico's van de toeleveringsketen en de logistieke kosten verminderen. Lokale productie op aanvraag zal toenemen.
• Overheden investeren aanzienlijk in industrieel onderzoek naar metaal-AM, in programma's voor de ontwikkeling van arbeidskrachten en in het bevorderen van regionale productie-ecosystemen rond deze technologie.

Hoewel metaal additief nog in ontwikkeling is, heeft het duidelijke voordelen laten zien ten opzichte van conventionele productie in diverse toepassingen, van luchtvaartmotoren tot op de patiënt afgestemde implantaten. Naarmate meer belanghebbenden in de toeleveringsketens AM toepassen, is het in staat om de productie te transformeren en een nieuw tijdperk van ontwerpinnovatie mogelijk te maken.

Veelgestelde vragen over Metal AM

V: Welke materialen zijn compatibel met metaal 3D printen?

A: De meeste industriële metalen kunnen worden geprint, waaronder roestvrij staal, aluminiumlegeringen, titanium, gereedschapsstaal, nikkelsuperlegeringen en meer. Sommige processen ondersteunen ook edelmetalen zoals goud, zilver en platina.

V: Hoe nauwkeurig is additieve metaalproductie?

A: De maatnauwkeurigheid voor de meeste poederbedfusieprocessen is ongeveer ±0,1-0,2 mm, vergelijkbaar met CNC-verspaning. Gerichte energiedepositie is ±0,5 mm of meer.

V: Vereist metal AM nabewerking?

A: Meestal is enige nabewerking nodig, zoals oppervlakteafwerking en warmtebehandeling. Ondersteunende structuren worden verwijderd en het oppervlak wordt machinaal bewerkt, geschuurd of chemisch behandeld om de onderdelen gladder te maken en af te werken.

V: Wat zijn enkele voordelen van AM-metaal ten opzichte van gieten of machinaal bewerken?

A: Voordelen zijn onder andere ontwerpvrijheid, lichtgewicht structuren, consolidatie van onderdelen, minder gereedschap, snellere doorlooptijden, massaal maatwerk en meer. AM maakt geoptimaliseerde vormen mogelijk die niet mogelijk zijn met subtractieve technieken.

V: Welke sectoren zijn de drijvende kracht achter 3D-printen met metaal?

A: De ruimtevaart, de medische/tandheelkundige sector, de auto-industrie en de industrie zijn momenteel de grootste gebruikers. De technologie is ideaal voor complexe productie in kleine series waarbij maatwerk en gewichtsvermindering voordelen zijn.

V: Hoe duur is metal AM vergeleken met conventionele productie?

A: Geprinte metalen onderdelen blijven duurder voor massaproductie. Voor kleine series van minder dan 1000 stuks kan AM concurrerend zijn in kosten en gecompenseerd worden door de voordelen van ontwerpflexibiliteit, snellere time-to-market, consolidatie van onderdelen en maatwerk.