(Decennialange) ervaring van Siemens met 3D- printing

3D-printing kent een hype nu een aantal patenten zijn vervallen en de technologie beschikbaar wordt voor de consument met betaalbare en soms ook zelfbouwmachines als MakerBot en UltiMaker.

Trefwoorden: #3D printen, #Layerwise, #MarkerBot, #Materialise, #rapid prototyping, #Siemens, #Ultimaker

Lees verder

Magazine

Download het artikel in

ENGINEERINGNET.BE - Althans, dat is het geval voor 3D-printen met kunststofdraden in ABS en PLA.

Heel anders is het nog gesteld met 3D-printen van metalen. Die kring van fabrikanten - denk bij ons aan Melotte en Layerwise - en gebruikers is nog steeds relatief beperkt. Er zijn wel tal van medische applicaties, de militaire wereld is geïnteresseerd,... maar veel industriële toepassingen leken er nog niet echt te zijn.

Maar wie meent dat de multinationals de trein aan het missen zijn, zit op een dwaalspoor. Bijvoorbeeld Siemens is al enkele decennia - van bij de start van de technologie - met 3D-printing of Addivitieve Fabricage bezig. Eerst voor 'rapid prototyping' met kunststoffen, maar sinds een achttal jaar ook met metaaldrukken.

Aanvankelijk nog 'stil' maar steeds 'luider'. In die mate dat de pers er vandaag bij geroepen wordt. Merkel's Industrie 4.0-plan, u weet wel, zeker nu de Duitse kanselier de Duitse techbedrijven op Hannover Messe nogmaals met aandrang opriep een tandje bij te steken...

De energie-divisie van Siemens die gasturbines ontwikkelt, produceert en verkoopt, werkt aan 3D-onderdelen voor zowel de compressor als het verbrandingssysteem en de turbine zelf. Voor de meest extreme toepassingen, dus. «Selective Laser Melting is absolute core business voor ons», meldt Ursus Krüger, hoofd van de Research Group bij CT (Corporate Technology) in Siemensstadt, Berlijn.

Bij SLM wordt in een metaalstofbad een patroon gelaserd. De laag stof - van 10 tot 50 micron dik - versmelt. Vervolgens wordt daarop telkens een nieuwe laag stof aangebracht en versmolten tot het stuk helemaal 'gedrukt' is. «Deze technologie is een 'enabler'. We staan nog aan het begin van deze tocht, maar bij 'Energie' hebben we hierover een duidelijke strategie met een roadmap voor de korte en voor de langere termijn.»

De goede verstaander begrijpt dat wie hiermee eerst wegkomt, een enorm marktvoordeel heeft. 3D-printen geeft de designer meer vrijheid om functies te integreren in stukken die onmogelijk te realiseren zijn met klassieke verspaningstechnologieën. Denk aan het integreren van complexe koelkanalen in turbinebladen en het reduceren van assemblages.

Bovendien kan het 3D-productieproces de keten drastisch korter en sneller maken. «Een zogenaamde 'blade one' - een schoep van de turbine die blootgesteld wordt aan quasi-smelttemperaturen en centrifugale krachten die 10.000 keer sterker zijn dan het gewicht van de schoep zelf - hebben in de klassieke productie een leveringstijd van 16 à 20 weken. Met SLM komt die op 48 uren uit de printer.»

Vandaag is die schoep nog een rapid prototyping-stuk waarvan de materiaalsamenstelling net niet de eenvormige kwaliteit haalt van het klassiek gegoten stuk. Een densiteit van 99,8% is op dit ogenblik haalbaar, maar het opgebouwde stuk heeft een gelaagde kristalstructuur terwijl een gietstuk veel grotere kristallen heeft. «Maar ik ben ervan overtuigd dat we ook die hindernis kunnen nemen binnen de vijf tot tien jaar.»

Het is de bedoeling uiteindelijk een turbine te produceren die op een nog hogere temperatuur - en dus efficiënter - kan werken. Daarvoor kijkt men onder meer naar ODS-materialen (oxide dispersie versterkt) van superlegeringen die vandaag nauwelijks nog machinaal te bewerken zijn.

Belangrijk voor de industriële speler is echter dat elke fase in zijn productieketen - van design tot 3D-printen, nabewerking en kwaliteitsopvolging - mee door de bocht gaat. Krüger toonde een schema met 150 verschillende factoren die de kwaliteit van het product kunnen beïnvloeden en onder controle gehouden dienen te worden. «Je proces moet robuust en zero defects zijn.» Cruciaal is dat het data-gebeuren, waarop het hele proces loopt, eveneens is beveiligd. Tegen piraten, hacken, namaak,...

3D-massaproductie?
Als dat kan, ligt niet alleen het designvoordeel open dat de efficiëntie van de WKK-gasturbine over de huidige 61% kan tillen - 20 jaar geleden was dat overigens nog maar 51% - maar ook een kostenvoordeel. Men hoeft dan niet langer batches van enkele tientallen stuks op te starten om rendabel te produceren. Met 3D-printing zijn insteltijden van machines immers verwaarloosbaar en kan men stuk per stuk - op bestelling - aanmaken. Dat alles heeft dan weer het voordeel dat er geen voorraad meer hoeft bijgehouden te worden.

«We weten nog niet of massaproductie met SLM wel degelijk goedkoper is dan bewerken op de klassieke manier. Dat moet onderzocht worden», geeft Krüger toe. Hij verwees naar Roland Berger Strategy Consultants die rekenen dat er met 3D-printen op vijf jaar tijd een kostenbesparing van 60% te rapen valt en over de volgende tien jaar nog eens 30%. McKinsey verwacht dat er tegen 2025 tussen 30% en de helft van alle stukken en reserve-onderdelen via 3D-printing gemaakt worden. De kostenbesparing voor de eindconsument wordt daar tussen 40 à 55% berekend.

Maar er is in eerste instantie de designvrijheid. Een 3D-stuk vergt ook 60%+ minder materiaal dan een te versnijden (boren, frezen, EDM,...) gietstuk. En er zijn de andere voordelen. «Voldoende om alvast de prijzen bij de huidige toeleveranciers van stukken naar beneden te dwingen.» Nog voor Siemens écht met 3D-printing hoeft uit te pakken, zou dat perspectief alleen al dus te verzilveren kunnen zijn bij de toeleveranciers...

Allen daarheen?
Alle grote spelers in het veld zijn trouwens hard bezig om zich deze technologieën eigen te maken. GE zou op dit ogenblik al meer dan 300 3D-printingmachines in gebruik hebben. In november 2012 kocht GE Aviation ook 3D-printerbouwer Morris Technologies en diens dochterbedrijf Rapid Quality Manufacturing op. Morris drukt o.a. stukken voor de LEAP jet motor, die ontwikkeld wordt door CFM International (een joint venture van GE en Snecma). Het drukt ook voor GE Power Systems, een rechtstreekse concurrent van Siemens.

«Wij doen ervaring op met verschillende merken en technologieën», claimt Krüger. Siemens zou echter niet onmiddellijk van plan zijn een 3D-machinebouwer over te nemen, «maar zeg nooit 'nooit'!», voegt de Siemens-ingenieur eraan toe. Bovendien is er in de huidige markt een hechte relatie tussen 3D-machinebouwers en 3D-materiaaltoeleveranciers. Men wil zijn opties met technologieën en toeleveranciers open houden. «De poederspecificaties zijn onze IP.»

In het Siemens lab zagen we alvast twee MCP Realizer II SLM-machines van Hek Tooling GmbH en een SLM 125 HL van SLM Solutions GmbH met printbedden van respectievelijk 250 mm x 250 mm en 125 mm x 125 mm. In Siemens’ Zweedse Finspång-vestiging worden vandaag al branderkoppen/nozzles in het moeilijk te bewerken Hastelloy X - een legering van kobalt, chroom, nikkel en molybdeen die bestand is tegen corrosie en temperaturen van 1.100°C én meer - hersteld op Duitse EOS-machines.

De versleten kop van de brander wordt recht afgezaagd en op de randen wordt de nieuwe kop opgebouwd en gepolijst. Het snelle herstellen van de branderkop levert een kostenbesparing van 30% op. Het kan bovendien op een tiende van de tijd. Deze toepassing ging in oktober van vorig jaar trouwens al commercieel. «Twee sets van zo’n 'rapid repair'-branders - met elk 30 koppen - zijn vandaag reeds operationeel bij de klant.»

Er wordt bij Siemens naar verluidt ook aan nieuwe machines gedacht, zonder namen te noemen. Ook zou er al gewerkt worden met de zogenaamde 'electron beam melting'-technologie die onder vacuüm print. Maar concrete producten hiervan, een cijfer voor het aantal 3D-printmachines of de verschillende technologieën die Siemens uittest, worden niet gegeven. Wel communiceert het met een rustige stelligheid dat 3D-printing er (grootschalig) aan komt.

Sneller prototypen, herstellen en produceren
Sneller prototypen met 3D-printing verkortte bijvoorbeeld de ontwikkelingstijd van een turbine 'Blade 1' met zo’n 4 maanden. Nu lopen de tests op het prototype. Bij de ontwikkeling van een zogenaamde 'vortex nuzzle' - die gassen op een bijzondere manier inspuit - won men zelfs zes maanden. Andere stukken zijn onmogelijk te produceren met klassieke technologieën.

Een aantal neveneffecten neemt de Duitse Siemens-groep in de equatie mee. Ze kiest voor een strategie van 'regionalisatie' waarmee het 'dichter bij de klant wil'. Dat kan betekenen dat het zijn productie wat uiteen trekt en ook dichter bij de klant brengt. Data 'wegen' immers niks. Ze schuiven zo door de datapijp van ontwerp naar printer. Ooit, zet men misschien wel een 3D-printer bij de klant zelf...


(foto's: Siemens)
door Luc De Smet, Engineeringnet

Kadertekst 1
Vlaggenschip met 3D-printstukken
Siemens’ Energy-fabriek in Berlijn produceert de grotere WKK-gasturbines. De klasse met een vermogen van 8 MW is er vandaag het absolute vlaggenschip. Vandaag kunnen de kleinste, statische bladen van de compressor - die werken bij een temperatuur 400°C - al met SLM-geproduceerd worden. «SLM moet deel uitmaken van ons 'service pakket'», zei Andreas Fisher Ludwig, director Manufacturing Development Industrialization bij Siemens Power Generation Division.

De uitdaging bestaat er nu o.a. in een roterend turbineblad te printen dat 1.250°C+ kan weerstaan gedurende 30.000 uren. Het blad, dat bekleed is met een 0,5 tot 1 mm dunne, witte coating, haalt de snelheid van een kogel uit een geweerloop. Bij het lopen wordt het gekoeld door ‘koude lucht’ dat doorheen ingebouwde koelkanaaltjes vloeit. Het turbineblad kan tussen de buitenbekleding en de binnenstructuur -een afstand van nauwelijks één millimeter- een temperatuurverschil kennen van 700°C. «We printen dit soort bladen al voor rapid prototyping tests.» Het legeringspoeder meet 10 à 50 micron. De 3D SLM-printer kan per uur zo’n 5 à 20 cm3 materiaal neerlaseren.


Kadertekst 2
Te vroeg voor hybride processen?
Steeds grotere 'bedden' zijn een trend in 3D-printing machines. Daarmee zijn in één run grotere objecten en/of veel meer kleinere stukken te produceren. Vandaag zijn er voor metaaldrukken al bedden commercieel beschikbaar van 500 mm bij 280 mm en van 400 mm bij 400 mm.

Hoe groter de stukken, des te langer duurt het om ze te printen. Daarom kiezen sommige machinebouwers er al voor om tegelijk met twee of meer lasers te werken. Hoe meer lasers, des te duurder de machine dan weer. Maar ook des te meer hitte in het stuk wordt gebracht. Hoe dikker de lagen, des te poreuzer, dus des te minder densiteit. De energie, die ingebracht wordt per lengte-eenheid, wil je echter gelijk houden om de constante materiaaldensiteit/kwaliteit van de stukken te bewaren. Oplossingen kunnen gezocht worden in verschillende richtingen: zo kan men het poederbad voorverwarmen, de lagen insmelten en vervolgens na te gloeien, al dan niet met dezelfde of andere lasers.

Op de jongste EuroMold-beurs toonden Sauer en DMG Mori hoe hun nieuwe hybride machine een metalen koppelstuk met flenzen in één run produceerde en daarbij afwisselend gebruikmaakte van additive manufacturing met laser en frezen/boren/slijpen. Alles op één machine en één opspanning. Het Vlaamse VITO-onderzoeksinstituut in Mol doet proeven met lasercladden. Deze additieve techniek brengt metaalgebaseerd poeder onder druk van argongas naar de laserstraal en smelt lasrupsen naast mekaar om via één millimeter grote tracks stukken op te bouwen. Het doet ook al jaren proeven met hybride lassen met laser én plasma.