3D-printen met staal - een verhaal

In het project INSIDE Metal AM hebben Sirris, CRM en BIL de technische en economische haalbaarheid van 3D-printen met staal onderzocht. Dit is een kort verhaal over de demonstratiestukken die werden ontwikkeld.

3D-printen hoeft niet altijd gepaard te gaan met exotische materialen of toepassingen. In het INSIDE Metal AM-project namen we het materiaal onder de loep dat met voorsprong het meest gebruikt wordt in de industrie en maaksector: staal. Hierbij maakt u misschien de bedenking 'Er bestaan veel soorten staal'. Dat klopt ook, al is de keuze voor 3D-printen vandaag nog eerder beperkt. In dit artikel willen we echter niet focussen op de materiaalkeuze; dit werd reeds behandeld in een eerder artikel. Dit artikel gaat over wat mogelijk is met een gekozen staalsoort.

Het voorbeeld van de gegeneraliseerde rotor

Dit eerste voorbeeld is een demonstratiestuk dat werd uitgetekend door de projectpartners zelf. Als voorbeeld ter illustratie wilden we een onderdeel hebben dat enerzijds complex genoeg was om het interessant te maken voor 3D-printen, maar anderzijds ook printbaar was met twee verschillende technologieën: laser powder bed fusion (L-PBF) en laser metal deposition (LMD). Uit een aantal kandidaten kozen we uiteindelijk wat we een 'gegeneraliseerde rotor' gaan noemen zijn. De rotor werd geprint met 17-4PH staal, heeft een totale hoogte van 255 mm, en een diagonaal van 100 mm onderaan en 80 mm bovenaan. We noemen het een rotor, maar het kan ook een pompschroef zijn, een tandwiel, etc. De binnenkant van de rotor is niet vol, maar bestaat uit een roosterstructuur. Deze structuur is bovendien opgebouwd met een gradiënt: compacter onderaan, meer open bovenaan. Dit laat toe een ongelijke krachtverdeling langsheen de rotor efficiënt op te vangen. Een belangrijk voordeel van deze rotor is een aanzienlijke reductie in gewicht. Dit kan essentieel zijn voor een snelle acceleratie of vertraging, toepassingen in transport of toestellen die door personeel gedragen of verplaatst moeten worden.

De rotor leerde ons dat printen met LMD wat extra beperking oplegt aan de geometrie, en dit in termen van maximale hellingshoek van wanden, het gebruik van 'supports', etc. Bovendien is een zorgvuldige keuze van de printstrategie van groot belang voor het vermijden van hotspots. Uit het printen met L-PBF leerden we dat we de ontwikkeling van restspanningen in 17-4PH staal onderschat hadden, en dat het op voorhand uitvoeren van processimulaties een slimme keuze was geweest. Tijdens de fase van topologie-optimalisatie werd, zoals verwacht, duidelijk aangetoond dat de keuze van de grenswaarden van zeer groot belang is.
Uiteindelijk hebben we dankzij de demonstratiestukken een mooi verhaal opgebouwd en veel lessen geleerd. Lessen die we graag met jullie delen en toepassen op nieuwe ideeën.

Rotor met interne roosterstructuur, geproduceerd via L-PBF

Rotor geproduceerd via LMD. Links: tijdens productie bij CRM. Rechts: na tribo-finishing

Aluminium extrusiematrijs

De industriële adviesraad van het INSIDE Metal AM-project volgde het project van nabij op en stelde een aantal interessante cases voor. Eén zo’n case kwam van aluminium extrusiebedrijf E-Max in Dilsen-Stokkem. In een matrijs met vier holtes (voor het simultaan extruderen van vier profielen) faalt typisch slechts één van de extrusiekanalen (holtes). Wanneer dit gebeurt, moet echter de volledige matrijs vervangen worden. Als daarentegen 3D-geprinte en vervangbare inzetstukken gebruikt zouden worden, heeft dit een groot potentieel om de stilstandtijd te verminderen en de matrijs te hergebruiken. Er werd beslist om eerst de performantie van het 3D-geprinte materiaal te testen, in dit geval H11 staal, door middel van een eenvoudig proefmonster. Dit H11 staal vereist het gebruik van specifieke printers die het poederbed kunnen voorverwarmen tot 500 °C. Met dank aan VAC Machines in Brugge, werd Trumpf bereid gevonden om een ring te printen die bij E-Max werd ingebouwd in een matrijs voor het extruderen van aluminium buizen. De ring heeft een uitwendige diameter van 78 mm en een hoogte van 10 mm. De 3D-geprinte ring bleek over een goede hardheid, fijne microstructuur en minimale porositeit te beschikken. De ring toonde een uitstekende performantie in een eerste productieserie van 250 kg en wordt op dit moment nog steeds gebruikt in productie. Helaas bleken de nauwe toleranties die geëist worden voor een extrusiekanaal (voorlopig) een onoverkomelijk obstakel. Verdere studie voor het printen van vervangbare inzetstukken werd daarom niet ondernomen. De uitstekende performantie van de ring opende echter een nieuw pad voor innovatie: het printen van conforme koelkanalen in de matrijs kan mogelijk de processtabiliteit verbeteren bij het extruderen van gerecycleerd aluminium. Een dergelijke toepassing van 3D-printen werd binnen deze industrietak eerder nog niet overwogen.

Zo zie je maar, innovatie volgt niet steeds een vooraf uitgetekend traject en creativiteit vormt de sleutel tot succes. Dit demonstratievoorbeeld, hoewel het niet geleid heeft tot een realisatie van het initiële idee, resulteerde in drie belangrijke uitkomsten: (1) kennisopbouw rond het 3D-printen en de performantie van H11 staal, (2) het idee van kostenreductie door gebruik te maken van inzetstukken werd ontwikkeld en blijft overeind, zij het echter met behulp van conventionele productietechnieken, en (3)  het gebruik van conforme koeling als een nieuw innovatief idee voor aluminium extrusie (met een vleugje duurzaamheid).

Links: Aluminium extrusiematrijs met vier holten. Rechts: schets van het gebruik van inzetstukken

Vervanging van een verouderd, gegoten onderdeel

Samen met onze onderzoekpartners en ENGIE Laborelec werden ook enkele interessante toepassingen voor wire-arc additive manufacturing (WAAM) besproken. Verouderde onderdelen of gereedschappen, waarvoor geen vervangstukken meer bestaan, vormen een interessante case voor het toepassen van 3D-printen. Als voorbeeld hiervan werd een groot pomponderdeel als toepassing uitgekozen. Een kleinere versie van het originele gegoten duplex-stalen onderdeel (1,6 x 0,8 m) zal vervaardigd worden met de LMD/WAAM-robot bij CRM. Het selecteren van de draadsamenstelling, de correcte WAAM-printstrategie, etc. werden eerst gevalideerd op kleinere teststukken. De hellingshoek van wanden, hotspots tijdens het printen en moeilijkheden met het genereren van de printpaden werden allemaal geïdentificeerd als mogelijke risico’s bij deze aanpak. De ontwikkelingen gerelateerd aan het realiseren van dit demonstratiestuk zijn momenteel lopende, met als doelstelling om het demonstratiestuk klaar te hebben tegen eind januari voor verdere analyse (onderzoek van de vervormingen, metallografie, etc.).

Bij Sirris kijken we er naar uit om ook u te inspireren en ertoe te bewegen een kleine sprong in de toekomst te wagen. Neem zeker contact met ons op voor meer informatie over dit project of om ideeën/vragen in verband met 3D-printen te bespreken.

Dit project werd mogelijk gemaakt met de steun van Vlaio en het Strategisch Initiatief Materialen (SIM).