Onderzoeksprogramma Industrieel AM Kunststoffen

Om met de AM technieken aan de slag te kunnen en onderzoeksprojecten uit te kunnen voeren, maken wij vanuit het lectoraat gebruik van diverse faciliteiten. Hieronder lichten wij deze toe.

Voor het onderzoek met kunststof 3D-printen beschikt het LKT hoofdzakelijk over drie industriële technieken:

Selective Laser Sintering (SLS), EOS Formiga P100

SLS onderscheidt zich met een combinatie van hoge productiecapaciteit, hoogwaardige mechanische eigenschappen met Nylon en grote ontwerpvrijheid doordat er ongeacht het ontwerp geen geprint steunmateriaal noodzakelijk is. Met SLS is reeds ervaring sinds 2015 en is sindsdien een uitgebreid onderzoeksportfolio ongebouwd, van onderzoek naar procesparameters tot lange-duur eigenschappen en verantwoord hergebruik van materiaal reststromen.

Arburg Plastic Freeforming (APF), Arburg Freeformer 200-3X

Met APF heeft het Lectoraat ervaring sinds 2020. Over de technologie is relatief weinig kennis in publiek domein beschikbaar; het Lectoraat heeft zich de techniek in korte tijd meester gemaakt en is expert geworden op toepassingsgericht onderzoek met APF. De unieke combinatie van spuitgiet- en 3D-printtechniek onderscheidt zich in de vrijheid van materiaalkeuze. APF is bijzonder geschikt gebleken voor het bedienen van uitdagende en complexe casussen, zoals het printen van zachte en flexibele materialen (TPE’s) en materialen welke anderzijds niet beschikbaar of printbaar zijn (zoals spuitgietgrades PP). Ook is de machine bij uitstek geschikt voor het printen van meerdere materialen in één onderdeel en het sturen van materiaaleigenschappen aan de hand van dichtheid, van massief (hoog) tot schuimachtig (laag).

Van beide machines zijn de procesparameters door de fabrikant opengesteld, zodat vrij kan worden geëxperimenteerd met materiaal en verwerkingsparameters. Daarnaast beschikt het LKT nog over:

Fused Filament Fabrication (FFF) voor:

Hoge-temperatuur materialen zoals PEEK, PEI, PPS en PPSU: Minifactory Ultra 2, eigendom van Perron038(opent in nieuw tabblad).

Naast de industriële 3D-printer in eigen beheer beschikt het LKT ook over toegang tot de volgende machines:

Stereolithography (SLA)

FormLabs Form 2, gestationeerd op de Windesheim campus;

Fused Filament Fabrication (FFF) voor:

• Reguliere materialen (zoals ABS, PETg en PLA): Verscheidene machines op zowel de Windesheim campus, Perron038(opent in nieuw tabblad) als Zwinc(opent in nieuw tabblad);
• Grootformaat onderdelen (tot ca. 1100x800x700cm): Mesoprinter, gestationeerd bij Zwinc(opent in nieuw tabblad);

Voor het ontwerpen van onze demonstrators worden binnen het LKT verschillende softwarepakketten gebruikt. Voor ontwerp maakt het LKT gebruik van CAD-software als SolidWorks en Fusion 360. Daarnaast beschikt het LKT over licenties voor nTopology; dit programma is bij uitstek geschikt voor het gebruiken van topologie-optimalisatie, implementeren van lattice structuren en het valideren van ontwerpen aan de hand van FEM analyses. Voor zeer complexe numerieke analyses maakt het LKT ook gebruik van Ansys.

Naast industrieel 3D-printen met kunststoffen is er een onderzoeksprogramma naar industrieel 3D-printen met metaal. Hiervoor beschikt het lectoraat zowel over eigen apparatuur en heeft via samenwerkingen en connecties tevens aanvullend toegang tot een grote diversiteit aan apparatuur. Ook beschikt het Lectoraat over apparatuur voor conventionele kunststofverwerking, waaronder spuitgieten, extruderen, compounderen, vacuümvormen en composietverwerking. Tot slot beschikt het lectoraat over apparatuur voor testen en analyses, waaronder mechanische proeven op trek, druk, buiging, impact en vermoeiing, metingen aan rheologische eigenschappen, hardheid, oppervlakteruwheid en meer. De apparatuur staat gedeeltelijk op de campus en gedeeltelijk extern, op de locaties ZWINC (voorheen: GreenPAC iLab) aan de Ceintuurbaan in Zwolle-Noord, en bij Perron038 aan de Hanzelaan, naast het treinstation van Zwolle.

Waar mogelijk is de in het onderzoek gegenereerde kennis vertaald naar zogeheten ‘technology demonstrators.’ Het doel van deze demonstrators is niet om te dienen als daadwerkelijk product, maar om potentiële toepassingen en de technische mogelijkheden te presenteren op de meest grafische en tastbare wijze.

Door het plaatsen van de APF-geprinte insert in een spuitgietmatrijs is het mogelijk de voordelen van spuitgieten (productiecapaciteit en kosten voor bulk) en printen (ontwerpflexibiliteit- en vrijheid voor details) te combineren. De demonstrator toont dat de hoge drukken van het spuitgietproces de vorm van de insert niet negatief beïnvloedt, en dat een sterke verbinding kan worden gevormd tussen het spuitgietdeel en de insert.

Deze gripper demonstrator is bedoeld voor het hanteren van objecten van ongelijkmatige vorm. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het Fin Ray effect, waarbij flexibele ‘vingers’ zich vormen naar de contour van het object. Het actuatie mechanisme werkt middels compliantie (vervorming) zodat speling en slijtage van bewegende delen wordt vermeden. De gripper is geprint uit SEBS (zacht materiaal, flexibele vingers) en een spuitgietgradev PP (hard kunststof, actuatie mechanisme). Beide materialen zijn via andere printmethodieken lastig of niet verwerkbaar, maar op de Freeformer wél verwerkbaar. De materialen zijn zelfs in één productiecyclus (=2K) geprint, zodat één constructie wordt gevormd zonder de noodzaak voor assemblage naderhand. 

Deze demonstrator speelt in op de personaliseringsmogelijkheden van AM en de ontwerpvrijheid met SLS. Deze game controller heeft een behuizing welke op maat is gemaakt op de gebruiker. Door gebruik van de software nTopology zijn voronoi-structuren aangebracht welke zorgen voor extra grip, een ademende werking voor de huid voor extra comfort en resulteren in een verlaagd materiaalgebruik en uniek uiterlijk.

Deze kostbare elektronische componenten worden gebruikt in detectie- en meetapparatuur, en bestaan hoofdzakelijk uit een behuizing van geblazen glas. De gripper is geprint uit verscheidene componenten welke gebruik maken van ABS (hard kunststof) voor dragende elementen en TPU (zacht kunststof) voor schokdempende en scharnierende elementen. De ABS en TPU delen zijn in het 2K-printproces aan elkaar verbonden.

De Freeformer is zeer geschikt voor het printen van thermoplastische elastomeren (TPE’s). Door deze materialen te combineren met Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) structuren kan de hardheid en stijfheid verder worden verlaagd, en ontstaan materialen met eigenschappen welke lijken op die van flexibele schuimmaterialen.

Deze fiets dient als demonstratie van ontwerpmogelijkheden met – hoofdzakelijk – laagdrempelig beschikbare AM-technologieën en verbindingstechnieken.

Meer weten over de Mesocruiser?

Bekijk hier onze animatievideo(opent in nieuw tabblad)

Nikhef, heeft een prominente rol in de ontwikkeling van de neutrinodetector welke wordt ontwikkeld in het internationale project KM3NeT. De detector bestaat uit duizenden Digitale Optische Modules (DOMs). De behuizing van de sensoren vervult een essentiële rol in het functioneren van de module. De behuizing was bij prototypes eerste series specifiek ontworpen voor en geproduceerd middels SLS printen, voor oplevering van het gehele project was dit echter geen optie vanuit het oogpunt van oplevertermijn en productiekosten. In samenwerking met Nikhef heeft het LKT alternatieven verkend. Hierbij is uiteindelijk via een herontwerptraject een behuizing opgeleverd welke gedeeltelijk gespuitgiet en gedeeltelijk middels SLS printen wordt geproduceerd. De demonstrator toont hoe SLS en spuitgieten voor eenzelfde product kunnen worden toegepast afhankelijk van seriegrootte, en zijn belangrijke lessen getrokken hoe een herontwerptraject kan worden aangepakt, indien nodig.

Foto links: Copyright KM3NeT

Bij het SLS-printen van PA12 ontstaat een reststroom poeder welke niet volledig kan worden herintroduceerd in het printproces. In een onderzoek naar verantwoord en hoogwaardig hergebruik voor het materiaal is geconstateerd dat de reststroom PA12 poeder mogelijk geschikt is als additief voor structuurcoatings in plaats van virgin PA12 poeder.

In dit onderzoek hebben wij gewerkt aan onder andere:

• Stroomlijnen van instelprocedure (kwalificatie) bij (voor APF) nieuwe materialen
• Printbaarheid en mechanische eigenschappen van (Spuitgietgrades) Polypropyleen
• Printbaarheid van Thermoplastische Elastomeren (TPE’s)
• Verkenning naar het beïnvloeden van mechanische eigenschappen van TPE’s door het sturen vulgraad en materiaaldichtheid
• Printbaarheid van meerdere materialen in één object (2K constructies)

Klik op onderstaande button om naar de publicatie te gaan.

Industrial Additive Manufacturing: Freeforming(opent in nieuw tabblad)

Klik op onderstaande button om naar deze publicatie te gaan.

Investigating the influence of heat treatment in a pressurised atmosphere (Hot Isostatic Pressing, HIP) on the ductility of SLS-printed PA12(opent in nieuw tabblad)

Klik op onderstaande button om naar de publicatie te gaan.

Sustainable Laser Sintering with PA12: Applications for re-use of aged powder(opent in nieuw tabblad)

In dit onderzoek hebben wij gewerkt aan onder andere:

• Invloed van langdurige blootstelling aan vocht & verhoogde temperaturen op de mechanische eigenschappen van SLS-geprint en gespuitgiet PA12
• Invloed van langdurige blootstelling aan chemicaliën en UV-licht op de mechanische eigenschappen van SLS-geprint en gespuitgiet PA12
• Invloed van positie in het bouwvolume op de mechanische eigenschappen van SLS-geprint PA12

Klik op onderstaande button om naar de publicatie te gaan.

Kunststoffen in de machinebouw II(opent in nieuw tabblad)

Klik op onderstaande button om naar de publicatie te gaan.

A practical guide to 3D printing: overview of technologies and their applications in the industry(opent in nieuw tabblad)

Klik op onderstaande button om naar de publicatie te gaan.

Kunststoffen in de medische technologie(opent in nieuw tabblad)

Klik op onderstaande button om naar de publicatie te gaan.

Printen in de derde dimensie: technieken en toepassingen binnen het MKB(opent in nieuw tabblad)

De kennis die wordt gegenereerd met onze onderzoeksactiviteiten laten wij zoveel mogelijk terugvloeien in het onderwijs. Via gastcolleges en de betrokkenheid van docentonderzoekers en docenten vindt AM steeds meer haar plek binnen vakken van de opleidingen Werktuigbouwkunde, Industrieel Product Ontwerpen (IPO), Technische Bedrijfskunde, Bouwkunde en Civiele Techniek.

Naast het verspreiden van AM-kennis in eerste- en tweedejaarsvakken vindt verdieping in AM plaats. Zo verzorgt het LKT een keuzevak over Topologie-optimalisatie binnen de Minor Applied Mechanics, waarbij een product wordt geoptimaliseerd, geprint en getest. In de Minor Production Engineer wordt een vak gegeven wat zich specifiek richt op industriële AM-technieken. Ook in dit vak wordt de kennis in praktijk gebracht door een ontwerpproject waarbij onderdelen worden ontworpen, geprint én getest.

In de Minor Production Engineer voeren studenten tevens onderzoeksprojecten uit in de minor, waarin ze een directe bijdrage leveren aan onze onderzoeksactiviteiten. Tot slot hebben wij studenten welke bijdragen in het uitvoeren van onderzoek via stage- en afstudeerprojecten of als werkstudent.