3D printen met metaal
Additieve manufacturing machine met de besturingsoplossing van Sigmatek
Ontwikkelaars laten zich vaak niet afschrikken door projecten die onrendabel lijken. Zo ook Jonas Galle, CEO van het Belgische ValCUN, die zich afvroeg waarom standaard polymeer 3D-printers niet geschikt waren voor metaal. Na jaren van uitproberen en experimenteren met diverse testopstellingen is het hem en zijn team gelukt om een additieve manufacturingmachine te ontwikkelen: 3D-printen op basis van metaaldraad via Fused Filament Fabrication (FFF, ook wel bekend als FDM), met een focus op aluminium. De machine werd gerealiseerd met de hard- en software van het Oostenrijkse SIGMATEK en ondersteund door SigmaControl uit het Nederlandse Barendrecht.
Ontwikkeling
Sinds de conceptversie in 2019 is de machine continu verbeterd. Bij het gebruik van de eigen gepatenteerde Molten Metal Deposition (MMD)-technologie is metaaldraad de grondstof. Het aluminiumfilament wordt in een printkop volledig gesmolten. Uit het mondstuk aan de onderkant van de kamer wordt het vloeibaar metaal gedeponeerd en versmolten met de vorige laag om het onderdeel op te bouwen. "Vanaf 2014 verviel het patent op FFF-printers, waardoor bedrijven vrij waren eigen ideeën te ontwikkelen", zegt Galle. Waar FFF ooit beperkt was tot plastics, wordt het nu onderdeel van het productieproces.
Galle: "Wij willen een machine ontwikkelen die eenvoudig te bedienen is. Mensen die met een polymeerprinter werken, kunnen in principe ook met een metaalprinter uit de voeten." Dankzij het PLC-systeem van SIGMATEK en de ondersteuning van SigmaControl uit Barendrecht kan de printkop 570–660 °C bereiken, terwijl de hele printer niet meer dan 1500 Watt vermogen verbruikt", zegt Galle. "Verschillende sensoren geven data door aan de S-Dias i/o modules."
Waarom 3D printen?
Binnen ValCUN ligt het grootste voordeel in vrijheid van vorm en optimalisatie. Conventionele aluminiumonderdelen worden vaak uit massieve blokken gefreesd, waarbij tot 90% materiaal verloren gaat. Jonas: "Wanneer minimaal 70% van het materiaal wordt weggehaald, loont het om onderdelen via 3D printen near-net-shape te produceren." Voordelen? Zeker! Bijvoorbeeld ventilatorbladen voor datacenters, ziet Galle. Door 3D-optimalisatie dalen de totale verbruikskosten met 10%. Bij 12 gebouwen per jaar kan de besparing 6 miljoen euro bedragen.
Componenten en besturing
Galle is er trots op dat het gelukt is om een oplossing te vinden voor de hoge temperaturen in de energie-geïsoleerde printkop – het meest unieke onderdeel van de machine. "Er zijn nogal wat verschillen in de fysische eigenschappen tussen polymeren en metaal. Metaal smelt als water, dat vereist een volumerende extrusie. We hebben drie patenten: het proces zelf en de manier waarop volumetrisch draad wordt geëxtrudeerd", zegt Galle.
Verder bevat de machine stappenmotoren, servomotoren en servodrives van SIGMATEK (ST151, DC061). Daarnaast is er een Safety CPU voor noodstop. De deur van de machine kan niet worden geopend zolang de printkop heet is, zodat verbranding wordt voorkomen. Dit wordt geregeld via de safety-PLC en het safety-slot. Daarnaast zijn er sensoren voor temperatuur, krachtmeting en de status van de feeder. Voor de programmering wordt gebruikgemaakt van de All-In-One engineeringsoftware LASAL, waarmee zowel visueel programmeren als handmatige code mogelijk is.
Toekomst
Uniek aan deze machine is dat ze direct vanaf een substraat kan printen. Uiteraard kan het vertrekpunt ook gewoon weer een blok zijn waar in een latere fase een feature op geprint kan worden. Daarbij biedt aluminium in diverse sectoren de meest interessante toepassingen. Galle: "Eigenlijk zou elke metaalworkshop een 3D metaalprinter moeten hebben. Het potentieel is enorm."
