Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - Hun kreet: ‘tien keer sneller aan de helft van de prijs!’ Het gebruik van 3D printing moet daarmee doorstoten van prototyping naar productie.
«Onze 3D-technologie zal disruptief zijn zowel voor prototyping als voor de maakindustrie», claimt Roman Pastor (foto), general manager van HP’s 3D Printing business.
Eind juni presenteerde HP bij Barcelona zijn 3D Multi Jet Fusion technologie voor het bouwen van kunststofonderdelen. HP heeft er zijn grootste campus buiten de VS en de stad herbergt tevens het 3D Printing hoofdkwartier dat de technologie ontwikkelde. In oktober 2014 besliste het engineeringbedrijf te gaan voor 3D-print.
Al in juni van dit jaar werd de machine gelanceerd. Met zijn slogan 'Tien keer sneller voor de helft van de prijs' gooit de 2D-printgigant alvast de stok in het 3D-hoenderhok. Verwacht wordt dat andere wereldwijde spelers snel zullen volgen, want de technologie wordt uitdagend als 'disruptief' in de markt gezet. Indien HP in zijn opzet slaagt, zal dat het bedrijf een niet-onaanzienlijk marktaandeel opleveren ten opzichte van zijn concurrenten.
3D Jet Fusion
Een stuk wordt laag per laag opgebouwd in een nylonpoederbed van polyamide (PA) 12 en PA11. Infraroodlampen in het deksel warmen de printkamer voor. Een brug met daarin verschillende rijen printkoppen schuift van rechts naar links over het poeder. Die koppen spuiten op de juiste plekken een zwart gekleurde 'fusie agent' op het poeder.
Op dezelfde brug, in dezelfde passage, volgt een stel lampen die in het nabije infrarood de temperatuur opdrijven. De fusie-agent slorpt die extra warmte op en geeft die door aan het PA-poeder eronder dat smelt. HP spreekt hier dan ook niet van een 'binder'. De brug schuift terug naar rechts voor een tweede passage. De poederbak zakt een laag waarna een tweede brug - van achter naar voor - een verse poederlaag op het bed uitspreidt en het proces zich herhaalt. Keer op keer.
De poederbak heeft een nuttige oppervlakte van 40 cm op 30 cm en kan 40 cm diep. Dat is tegelijk de maat van het grootst mogelijke object dat de machine kan printen. De eerste fusie-agent is eerder bedoeld om oppervlakte te dekken en dus volume te creëren. De nauwkeurigheid van 20 micron wordt gehaald door gebruik te maken van een tweede agent.
Deze 'edge-agent' is bedoeld om randen en hoeken scherp neer te zetten. In tegenstelling tot de eerste agent doet die dat door de warmte van de lampen 'niet' door te geven. Waar deze 'afbakenende agent' op het poederbad terechtkomt, stopt het fusie/smeltproces. En dat gebeurt allemaal op voxel-niveau, met laagdiktes tussen 0,07 en 0,12mm en een resolutie van 1.200dpi.
Want waar men de 2D-wereld van de digitale print en de fotografie van 'pixels' spreekt, heeft HP het hier over een 'voxel', een pixel in drie dimensies. HP belooft niet alleen nauwkeurigheid op dit voxel-niveau, maar ook het sturen van verschillende karakteristieken en aspecten van het materiaal.
Snelheid en procesbeheersing
De snelheid waarmee laag per laag neergezet wordt, is steeds identiek. Of er veel of weinig of veel geprint en gefuseerd wordt, doet er niet toe. Er kunnen zo’n 340+ miljoen droplets per seconde neergezet worden door de drie printkoppen.
De 3200-printer haalt 3.500 cm3/uur en de 4200 zelfs 4.500 cm3/uur. Het is dus perfect voorspelbaar wanneer een 'productie' klaar zal zijn: vermenigvuldig de tact-snelheid - een sweep van de brug vergt zo’n 6 seconden - met het aantal gewenste lagen. Het Jet Fusion proces neemt duizend keer meer tijd om de nodige warmte in te brengen dan bij een typisch SLS-proces waarbij een laser in microseconden maar telkens slechts één punt belicht.
Die meertijd zou echter voor een beter beheerste kwaliteit van de smelt zorgen. Bovendien heeft de HP-machine een temperatuurcontrole in een gesloten kring. In het deksel met de lampen die het poederbad voorwarmen, zit een thermische camera die tijdens het proces een gedetailleerd warmtebeeld - op basis van 900 punten - neemt van het poedervlak.
Dat beeld moet overeenstemmen met het verwachte thermische beeld. Bij afwijkingen wordt elk van de warmtelampen individueel bijgestuurd om de juiste temperatuur te halen. Het P12-poederbed wordt voorverwarmd bij 120 à 140°C. P12 smelt bij 180°C. De fusie-passage moet dus voor een temperatuursprong van 40°C zorgen.
Trolley
Het productiepoeder zelf wordt uit een 'doos' aangezogen. Die zit in de machine en is lekdicht aangesloten via een kunststofslang. In de 3D-drukkerij hoef je dus geen stofmasker op te zetten. Het poeder wordt naar een verdeler geheveld en uitgespreid over de poederbak.
Na elke passage van de printer/belichter worden de printkoppen en lampen gereinigd door een statisch geladen nonwoven op rol. De printbak is op een trolley gebouwd. Als het printen gedaan is, kan deze 'building unit' met prints snel uit de machine en naar de 'processing unit' gerold worden om te koelen, de uiteindelijke stukken uit hun poederbad te bevrijden en het restpoeder te herwinnen en te mengen met vers product.
Het niet-geactiveerde poeder kan immers hergebruikt worden. HP gaat er wel van uit dat er bij een productie steevast 20% nieuw/vers poeder toegevoegd moet worden. Ondertussen is de printer al lang aan een volgende lading begonnen.
Agressieve pricing
De basisprijs van de printer is vandaag zo’n 130.000 euro. Met de processing unit erbij wordt dat zo’n 155.000 euro. Ook in zijn pricing claimt HP disruptief te willen zijn. De poeders, waarvoor het een beroep doet op partners, worden eveneens agressief geprijsd.
De leverancier heeft naar eigen zeggen «niet de bedoeling zelf op de poeders te verdienen». Het heft wél een surplus dat bedoeld is als vergoeding voor het certificatieproces wanneer kunststoftoeleveranciers in HP’s 3D-ecosysteem, een 'open platform', stappen. Over de prijs van de agentia, die HP wél zelf wil leveren, geen informatie te bespeuren.
Het zakenmodel zou dus wel wel eens kunnen lijken op dat wat het bedrijf al decennialang met inktjet doet: goedkope printer, dure inkt. Het is ook onduidelijk wat de verwachte levensduur van de printkoppen is. Maar aangezien het in wezen gaat om eenzelfde technologie als bij inktjet printen, hoeft dat wellicht weinig daarvan af te wijken.
3D groter dan 2D
«We geloven dat de markt voor 3D-printen ooit groter zal zijn dan die voor 2D-printen vandaag», stelt Alex Monino, wereldwijde marketingverantwoordelijke. HP heeft volgens hem geen plannen om de consumentenmarkt aan te doen. «De vraag blijft immers nog vele jaren industrieel».
Zo is vandaag prototyping goed voor 26% van de 3D-printing markt. Volgens HP trekt dat in één ruk naar 65% tegen 2020. 3D-productie van eindproducten is vandaag dan weer goed voor 37% van de markt.
«Het volume van deze productie zal fors stijgen, maar het globale marktaandeel blijft verhoudingsgewijs nog een tijdje gelijk». Monino zet er getallen tegenover: in 2014 was de 3D-prototypingmarkt goed voor 1,760 miljard dollar. In 2020 wordt dat 7,095 miljard, terwijl 3D-productie naar 3,847 miljard stijgt.
Vier verticale segmenten trekken de industriekant: automotive, luchtvaart, consumentenelektronica, gezondheidszorg. «In onze visie gaan we niet enkel voor de prototyping-markt maar ook voor de productiezijde, de volgende industriële revolutie». Het is dus het opzet om de maakindustrie te transformeren door eindproducten te fabriceren, nieuwe toepassingen te vinden voor 3D-printen en 'doorbraakeconomieën' te forceren.
Niet zozeer omdat het kan, maar omdat het economisch zin heeft. Snelheid, en dus volume, moet de 'killer' doorbraak worden. Dat hiervoor een ecosysteem op basis van doorgedreven (productie-)digitalisering nodig is, lijkt hem niet zo problematisch.
«De digitalisering hebben we vandaag immers al in de 2D-drukwereld gerealiseerd». In 3D-drukwerk blijft de focus aanvankelijk bij hoogwaardige en gepersonaliseerde producten, «maar voortaan zal dat ook economisch zinvol zijn». Betaalbaar(der) dus.
Perspectieven
Typisch wordt in 3D printing gewerkt met STL-bestanden. HP is lid van het 3MF Consortium en zijn machines ondersteunen ook het rijkere 3MF formaat. HP heeft eigen jobvoorbereidings- en monitoring-software, maar er kan ook gewerkt worden met de Autodesk Netfabb Engine en Materialise Magics met Materialise Build Processor.
Vandaag zijn de stukken uit de Jet Fusion machine bovendien nog éénkleurig. De fusieagent is zwart. In de toekomst verwacht men meer verschillende agentia die heel precies op het poederbed neergezet kunnen worden voor gekleurde onderdelen, keramieken, stukken die een extra functie ingeprent kregen, elektrische en thermische geleidbaarheid.
Denk aan printed electronics. Slimme prints, dus. Op de oppervlakte kan ook in 2D 'in kleur' geprint worden, inkt die enkel oplicht onder UV-licht, 3D-kleurlagen (een gele en rode laag onder een zwarte toplaag, bijvoorbeeld, als waarschuwingssysteem voor onderdelen die onderhevig zijn aan slijtage),…
(foto's: HP, LDS)
door Luc De Smet, Engineeringnet
Kadertekst:
«Quick Response Manufacturing»
«3D printen heeft niet enkel een impact op het stuk dat uit de machine komt, maar op het hele proces», stipte Uli Klenk, general manager van Siemens’ Compentence Center Additive Manufacturing (links op foto) aan. Het gaat er volgens hem om het creëren van betere tools die er voor zorgen dat een product sneller, goedkoper en van de eerste keer goed is, «maar ook dat je kan produceren wanneer en precies daar waar nodig, en met minder logistieke kosten».
Stefan Rink, vice-president Manufacturing van Shapeways, spreekt in dat verband van 'quick response manufacturing'. Siemens produceert nu al nozzles voor de branders van zijn turbines via additive manufacturing. «Niet alleen is de gasturbine dankzij de vrijere design efficiënter, ook het logistieke proces wordt verbeterd: geen verzending van stukken, geen opslag nodig». Vervangstukken, zowel in metaal als polymeren, laat Siemens lokaal produceren in hubs, met lokale partners. Wanneer nodig. En dat wereldwijd. «Met HP kunnen we hier verder in groeien».
