Onderzoeksprogramma Industrieel AM Metaal

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 ontwerpen van onze demonstrators worden binnen het LKT verschillende softwarepakketten gebruikt. Naast conventionele CAD-software als SolidWorks en Fusion 360, maken we gebruik van nTopology voor het creëren van complexe geometrieën. Dit programma is uitermate geschikt voor het uitvoeren van topologie-optimalisaties, het implementeren en optimaliseren van lattice-structuren en het valideren van de ontwerpen aan de hand van FEM analyses. Voor de meer complexe numerieke analyses wordt veelal gebruik gemaakt van ANSYS.

Naast verscheidene FDM/FFF-printers die studenten zelfstandig kunnen gebruiken voor hun projecten, is in september 2020 onze eigen 3D-metaalprint faciliteit in gebruik genomen. Hiervoor is in de centrale hal van Perron038(opent in nieuw tabblad) een ruimte gerealiseerd die volledig is toegewijd voor deze toepassing. Met onze EOS M400 kunnen metalen onderdelen geproduceerd worden binnen een bouwvolume van 400x400x400mm.

In principe kan ieder metaal(poeder) in deze machine worden verwerkt tot onderdelen. Omdat ons onderzoek zich met name richt op toepassingen binnen het MKB hebben we gekozen voor aluminium (AlSi10Mg), wat voor de meeste machinebouwers een bekend en toegankelijk materiaal is. Naast de 3D-printer (en bijbehorende randapparatuur) hebben we beschikking over een lintzaag, straalcabine en een moffeloven voor het uitvoeren van de meest fundamentele nabewerkingsstappen.

De eerste 3D-metaalprinter waar wij gebruik van konden maken was de ConceptLaser M1 op de Technicampus(opent in nieuw tabblad). Daarmee kunnen onderdelen van RVS 316L of gereedschapsstaal geproduceerd worden binnen een bouwvolume van 250x250x300mm.

Windesheim, Saxion en Fontys hebben de handen ineen geslagen op het gebied van praktijkgericht onderzoek omtrent 3D-metaalprinten. Zo kunnen we onder andere gebruik maken van de faciliteiten bij Saxion(opent in nieuw tabblad) (Concept Laser MLab Cusing) en Fontys(opent in nieuw tabblad) (Renishaw RenAM 500S) wanneer wij bijvoorbeeld geprinte onderdelen in een ander materiaal nodig hebben.

Naast de metaalprintfaciliteit beschikken we ook over industriële 3D-printtechnieken voor kunststoffen. Eén daar van is onze Selective Laser Sintering (SLS) machine (EOS P100), die wij sinds 2015 inzetten voor onze onderzoeksactiviteiten. Hierin hebben wij ons vooral gericht op printen met nylon (PA12), maar er zijn ook experimenten uitgevoerd met het verwerken van PP. Vanwege de grote vormvrijheid en productiecapaciteit is de machine ook zeer geschikt voor onderwijsdoeleinden.

Daarnaast zijn we sinds 2020 in het bezit van een Arburg Freeformer. Door de unieke combinatie van spuitgiet- en 3D-printtechniek kan met deze machine nagenoeg ieder kunststof granulaat verwerkt worden tot hoogwaardige componenten.

Windesheim beschikt over verscheidene faciliteiten op het gebied van materiaalproeven. Naast een coördinatenmeetmachine (Schut DeMeet 400 Combi) zijn er faciliteiten voor het uitvoeren van rek-, compressie-, en buig- en kerfslagproeven. Ook kunnen er metingen worden verricht voor het bepalen van de hardheid, oppervlakteruwheid en vermoeiingseigenschappen.

Door het ontwikkelen van full-scale demonstrators, is in de loop der jaren veel kennis gegenereerd over Industrial Additive Manufacturing. Hieronder staat een selectie van de verschillende demonstrators die wij door de jaren heen hebben opgeleverd in samenwerking met de industrie. Dit illustreert de evolutie van het onderzoek.

Bij ingebruikname van de betreffende pomp zijn enkele tientallen van deze waaiers geproduceerd middels een gietproces. Omdat de voorraad van deze waaiers slinkt is onderzocht of L-PBF een geschikte alternatieve productiemethode is. In samenwerking met Sitech Services B.V. is onderzocht of het haalbaar is om een functionele pompwaaier (met een diameter van 23 centimeter) te 3D-printen in RVS 316L. De print is succesvol nabewerkt en is inmiddels anderhalf jaar probleemloos in bedrijf geweest.

Na verschillende pogingen om vervangende inlaatspruitstukken te 3D-printen in high-performance kunststoffen heeft Wolfs Engineering samen met het LKT onderzocht of 3D-geprint RVS een geschikt materiaal is voor deze onderdelen. Het geprinte metaal blijkt de veeleisende omstandigheden succesvol te kunnen doorstaan. 

Als master-thesis voor de master Polymer Engineering is onderzocht in hoeverre het optimaliseren van koelkanalen in een spuitgietmatrijs resulteert in neven-effecten bij het spuitgieten van elektrisch geleidende PA6 compounds. Naast een verbetering in maatnauwkeurigheid en het potentieel voor het verkorten van cyclustijden, is gebleken dat het optimaliseren van de matrijskoeling geen duidelijke effecten heeft op de kristalliniteit of geleidbaarheid van de kunststof. 

Bij L-PBF/SLM denkt men vaak aan high-end toepassingen en complexe ontwerpen. Deze demonstrator toont aan dat de techniek ook voordelen kan bieden voor onderdelen die minder complex of veeleisend zijn. Door dit onderdeel in zo efficiënt mogelijke batches te printen daalt de kostprijs van €4,19/stk naar een kostprijs tussen €1,50 en €2,50, afhankelijk van de situatie.

Voor een onderzoeksproject binnen de programmalijn Duurzaam Produceren van het lectoraat is een experimenteel ontwerp voor een extrusiematrijs gemaakt, waarbij met behulp van een Piëzo element ultrasone trillingen kunnen worden aangebracht in de kunststof smelt. Hierbij bleek AM de meest snelle en kosteneffectieve methode om de unieke matrijs te realiseren.

Voor End of Arm Tools (EoAT) binnen de robotica is een lichtgewicht ontwerp vaak erg wenselijk om de capaciteit van de robotarm maximaal te kunnen benutten. Binnen het AMBITION project zijn twee verschillende grippers gerealiseerd die gebruik maken van vacuüm ejectoren. De eerste variant is ontwikkeld voor het verplaatsen van vlakke objecten. De tweede variant is ontwikkeld voor het verplaatsen van enkel gekromde objecten (bijvoorbeeld buizen). Hierbij is o.a. gebruik gemaakt van Generative Design, geïntegreerde venturi’s en meegeprinte scharnieren.

Publicatie AMBITION 2: Optimaliseren printproces en producten LPBF(opent in nieuw tabblad)

Tijdens de onderzoeken omtrent Laser Powderbed Fusion (LPBF), ook wel Selective Laser Melting (SLM) of Direct Metal Laser Sintering (DMLS) genoemd, zijn al verschillende onderwerpen aan bod gekomen. De eerste uitdagingen die overwonnen moesten worden hadden vooral betrekking op het succesvol kunnen printen van onderdelen. Zo leerden we rekening houden met krimpspanningen en supportstructuren tijdens het printproces en het herkennen van de ontwerprichtlijnen die voor de techniek gelden. Door het uitwerken van verscheidene praktijkcases uit de industrie, hebben we gaandeweg meer kennis opgedaan over moderne ontwerpmethodieken (o.a. topologie-optimalisatie, generative design, lattice-structuren, simulatietechnieken), de invloed van proces-parameters en (warmte-) nabehandelingstechnieken. Uiteraard is de business case ook altijd een punt van aandacht.

Publicatie AMBITION 2: Optimaliseren printproces en producten LPBF(opent in nieuw tabblad)

In de beginfase van ons onderzoek omtrent LPBF ontstonden al snel de eerste uitdagingen. Aanvankelijk hadden deze uitdagingen nog niet eens te maken met het vinden van goede toepassingen, maar bleek het al een uitdaging te zijn om überhaupt op een succesvolle manier onderdelen te produceren. De belangrijkste uitdagingen bevonden zich op het vlak van oriëntatie van onderdelen in de machine en het creëren van een toereikende supportstructuur, wat voor ieder onderdeel weer anders is. Door het opdoen van ervaring middels veel experimenteren en het volgen van een extra training hebben we deze vaardigheden inmiddels onder de knie.

Publicatie Verkenning van de metaalprint technologie(opent in nieuw tabblad)

De vormvrijheid die LPBF biedt kan op vele manieren worden benut, waaronder verschillende mogelijkheden voor het realiseren van een lichtgewicht ontwerp met complexe productgeometrieën. In het eerste onderzoeksproject omtrent de techniek zijn de mogelijkheden omtrent topologie-optimalisatie verkend, waarbij overbodig materiaal (dat geen spanningen opvangt) in een iteratief proces wordt verwijderd.

Publicatie Verkenning van de 3D metaalprint technologie(opent in nieuw tabblad)

Binnen het AMBITION project is geëxperimenteerd met Generative Design, een variant op topologie-optimalisatie waarbij het eindresultaat wordt gecreëerd zonder eerst een basisvorm te definiëren. Tevens kan gelijktijdig een serie van optimalisaties worden uitgevoerd, waarbij verschillende materialen en productiemethoden kunnen worden vergeleken. 

Daarnaast is onderzoek gedaan naar lichtgewicht ontwerpen door het implementeren van lattice-structuren. Deze open, lichtgewicht structuren kunnen met specifieke software binnen een bepaald volume worden gecreëerd. Tijdens de onderzoeken zijn onder andere ontwerprichtlijnen opgesteld en zijn de mechanische eigenschappen van verschillende structuren vergeleken. Daarnaast is een methode gevonden om deze structuren te kunnen optimaliseren, om zo nóg meer gewicht te besparen. Hierbij wordt, aan de hand van een statische simulatie, de dikte van de lattice-struts gevarieerd en worden de spanningen in het materiaal beter over het product verdeeld. 

Publicatie AMBITION deel 3: Lichtgewicht ontwerpen(opent in nieuw tabblad) 

Gedurende het AMBITION project is onderzoek gedaan naar de materiaaleigenschappen van LPBF geprint AlSi10Mg (sterkte, stijfheid, taaiheid, vermoeiing) en verschillende factoren die hier invloed op kunnen hebben. Zo is geconstateerd dat de positie van onderdelen in het bouwvolume geen invloed lijkt te hebben op de mechanische eigenschappen. Daarnaast zijn kleine invloeden gevonden van de oriëntatie van de proefstukken op de eigenschappen, maar waarschijnlijk is de oorzaak hiervan terug te leiden naar verschillen in oppervlakteruwheid. Het manipuleren van de belichtingsparameters (laser-instellingen) en met name het uitvoeren van een warmte-nabehandeling blijken de materiaaleigenschappen significant te kunnen beïnvloeden. Afhankelijk van de eisen van het product kunnen hierin dus nog belangrijke keuzes gemaakt worden. 

Publicatie AMBITION 2: Optimaliseren printproces en producten LPBF(opent in nieuw tabblad)

Binnen het AMbition project is AM voor metalen, naast de uiteenlopende technische onderwerpen, ook vanuit bedrijfskundig perspectief bestudeerd. Daarbij zijn drie verschillende onderwerpen aan bod gekomen:

• Verandermanagement binnen bedrijven om 3D-metaalprinten mogelijk te maken.
• De toegevoegde waarde van verschillende 3D-metaalprinttechnieken
• Kostprijsberekeningen voor 3D-metaalprinten

Publicatie AMbition Deel 1 - Business Case(opent in nieuw tabblad)

Binnen de kunststofverwerkende industrie zijn verschillende toepassingen te vinden waarin 3D-metaalprinten kan bijdragen aan verbeteringen in de productie van kunststof producten. In veel gevallen heeft dit te maken met het zo snel en gelijkmatig mogelijk afkoelen van producten die geproduceerd worden. Als master-thesis voor de master Polymer Engineering is onderzocht in hoeverre het optimaliseren van koelkanalen in een spuitgietmatrijs resulteert in neven-effecten bij het spuitgieten van elektrisch geleidende PA6 compounds. Hierbij is gebruik gemaakt van Conformal Cooling Channels - ronde kanalen die de contouren van de vormholte volgen.

Momenteel wordt verkend in hoeverre het gebruik van lattice-structuren kan bijdragen aan het ontwerpen van een systeem voor matrijskoeling met een nog grotere koelcapaciteit.
Master thesis Conformal Cooling Channels(opent in nieuw tabblad)

Programmalijn Duurzaam Produceren

Binnen onze programmalijn Duurzaam Produceren is door de onderzoekers ook al gebruik gemaakt van onze EOS M400 voor het produceren van een unieke extrusiematrijs. Deze matrijs, met complex vormgegeven inwendige kanalen, maakt het mogelijk om ultrasone trillingen aan te brengen in de kunststof smelt. Met behulp van LPBF kon deze matrijs zonder al te veel moeite en met een korte doorlooptijd worden gerealiseerd. 

Meer informatie over deze toepassing kunnen wij op aanvraag verstrekken.

Wanneer een product geprint wordt middels LPBF, resulteert dat in de meeste gevallen nog niet direct in een eindproduct dat aan alle eisen voldoet. Gedurende de onderzoeksprojecten zijn verschillende nabewerkingstechnieken aan bod gekomen. In eerste instantie is vooral aandacht besteed aan het verlagen van de oppervlakteruwheid van de geproduceerde producten door middel van abrasieve, verspanende of chemische processen.

Publicatie Verkenning van de metaalprint technologie(opent in nieuw tabblad)

Bij L-PBF is het gebruik van supportmateriaal noodzakelijk voor de positionering van het product in het bouwvolume, het afvoeren van warmte en het mechanisch opvangen van krimpspanningen die tijdens het proces kunnen ontstaan. Na het printproces moeten deze supports van het product worden verwijderd, wat vaak een tijdrovende klus is. Om te voorkomen dat dit een belemmering vormt, is de industrie op zoek naar oplossingen dit proces te vereenvoudigen of te verkorten.

Experimenten met AlSi10Mg

Aan de hand van een voorbeeld van EOS(opent in nieuw tabblad), waarbij een kegelvormig object (in titanium) wordt geproduceerd met behulp van een contactloze supportstructuur, hebben wij soortgelijke experimenten uitgevoerd met AlSi10Mg. Hierbij is een relatie gevonden tussen de hoek van de kegel en de tussenafstand met het ondersteuningsmateriaal, waarbij in het meest gunstige geval het product eenvoudig uitgenomen kan worden. Vervolgens is aan de hand van deze informatie een flessenopener ontworpen, waarvan de contactloze support naderhand functioneert als houder/standaard.

Publicatie AMBITION 2: Optimaliseren printproces en producten LPBF(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 docent-onderzoekers vindt 3D-metaalprinten (en AM in het algemeen) steeds meer haar plek binnen vakken van de opleidingen Werktuigbouwkunde, Industrieel Productontwerpen en Technische Bedrijfskunde.

Binnen de minor Production Engineer worden door studenten projecten uitgevoerd waarin ze een directe bijdrage leveren aan onze onderzoeksactiviteiten. Daarnaast verzorgt het LKT de designtool Topologie-optimalisatie binnen de minor Applied Mechanics, waarbij een product wordt geoptimaliseerd, geprint en getest.

Gedurende dit project hebben wij samengewerkt met veel verschillende partijen uit de industrie. Hieronder een overzicht. 

Door de jaren heen zijn er al verschillende video's gemaakt rondom deze onderzoekslijn. Hieronder staat een overzicht.

Op 30 september 2020 was de grote opening van de EOS M400 3D-metaalprinter op Perron038. Benieuwd naar een impressie?

Bekijk hier de aftermovie(opent in nieuw tabblad)

In november 2021 stonden wij namens het lectoraat voor het eerst met een eigen stand op de Formnext 2021 in Frankfurt. Benieuwd hoe dit eruit zag?

Bekijk hier de aftermovie(opent in nieuw tabblad)

Eind maart was het AMbition event, waarin wij al onze lessons learned van het AMbition project van de afgelopen jaren deelden met de industrie. Benieuwd hoe dit eruit zag?

Bekijk hier de aftermovie(opent in nieuw tabblad)

Benieuwd hoe het printproces van onze 3D-metaalprinter eruit ziet?

Bekijk hier de video(opent in nieuw tabblad)

Bij Perron038 in Zwolle staat sinds februari een hypermoderne 3D-metaalprinter van hogeschool Windesheim. De ConceptLaser M2 Series 5 3D-metaalprinter wordt omschreven als de Rolls-Royce onder de 3D-printers. Dit sterke staaltje techniek kan een vliegwiel zijn voor nieuwe toepassingen in het regionale bedrijfsleven. Maar alleen ergens een printer neerzetten zorgt niet vanzelf voor innovatie. Dat ontstaat pas als praktijkgericht onderzoek en ondernemerschap met elkaar samensmelten. En dat is precies wat er gebeurt bij Perron038 in Zwolle.

Lees hier meer

Fontys, Windesheim en Saxion, de drie hogescholen met 3D-metaalprinters, hebben zich verenigd in het initiatief IAMM (Industrial Additive Manufacturing in Metals) om samen en met universiteiten, brancheverenigingen, kenniscentra en tech-bedrijven metaalprinten de komende jaren als vervaardigingstechniek te bevorderen. Niet alleen de techniek, maar ook alles in de keten wat er mee samenhangt. IAMM is gericht op praktijkonderzoek naar innovatieve ontwikkelingen én vernieuwende toepassingen van 3D-metaalprinten. Meer weten over deze samenwerking?
Neem een kijkje op onze website:

Website IAMM(opent in nieuw tabblad)

3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, is de afgelopen jaren snel populairder geworden. Veel bedrijven hebben vaak een filamentprinter staan en printen er modellen en hulpstukken mee. Metaalprinten is een stuk lastiger.

Omdat de kosten hoger zijn, is een goede inbedding in de keten van groot belang, niet alleen in technologisch, maar ook in commercieel opzicht. "De ontwerper en de werkvoorbereider moeten elkaar makkelijk weten te vinden. Beslissingen die de ontwerper neemt hebben namelijk grote gevolgen verderop in de keten", vertelt Rein van der Mast, onderzoeksleider 3D-printen in Metalen bij Fontys Engineering.

Voordelen

3D-metaalprinttechnieken worden wereldwijd steeds meer toegepast en zijn een aanjager van innovatie in verschillende sectoren. Dankzij deze technieken kunnen unieke vormen worden geprint die onmogelijk te produceren zijn met conventionele metaalbewerkingstechnieken. 3D-metaalprinten leidt tot nieuwe, lichtere ontwerpen.

Snellere levering en personalisatie

Naast de ontwerpmogelijkheden, wordt 3D-metaalprinten gebruikt om toeleveringsketens te verkorten en zo sneller producten te leveren aan klanten. Waar voorheen reserve-onderdelen werden geïmporteerd uit het buitenland en werden opgeslagen, worden die nu geprint. Dit bleek van strategisch belang voor bedrijven om de schokken op te vangen in de toeleveringsketens. Daarnaast wordt 3D-metaalprinten steeds vaker gebruikt in bijvoorbeeld de medische sector voor het personaliseren van ortheses en protheses. Maar ondanks dat 3D-metaalprinten op een hoog constructief niveau is gekomen, wordt de techniek nog weinig in Nederland toegepast in vergelijking tot landen als Duitsland, België en Frankrijk.

De betrokken hogescholen hebben in de afgelopen jaren geïnvesteerd in faciliteiten voor en onderzoek naar 3D-metaalprinten, samen met talloze bedrijven en instellingen. Door intensief samen te werken is er een slagvaardige onderzoeksgroep ontstaan met een groot geografisch bereik in Nederland, diverse faciliteiten en specialisaties.
Binnen de groep wordt samengewerkt met verschillende regionale fieldlabs en de volgende Centres of Expertise: 
GreenPAC(opent in nieuw tabblad), TechForFuture(opent in nieuw tabblad) en HTSM Fontys(opent in nieuw tabblad).

Het netwerk is verbreed door samenwerking met Flam3D(opent in nieuw tabblad), de netwerkorganisatie voor 3D-printen in de Benelux.

Heeft u interesse in 3D-metaalprinten en wilt u meer weten over de samenwerkingsmogelijkheden? Neem dan contact op met een van de hogescholen:

Hogeschool Windesheim: 

• dr. Margie Topp, Lector Kunststoftechnologie
  m.topp@windesheim.nl(opent in nieuw tabblad)
• dr.ir. Geert Heideman, Associate lector
  g.heideman@windesheim.nl(opent in nieuw tabblad)

Saxion Hogeschool

• dr.ir. Arie Paul van den Beukel, Lector Industrial Design
  a.p.vandenbeukel@saxion.nl(opent in nieuw tabblad)
• Ivo Vrooijink, MSc, Projectleider/onderzoeker
  i.b.e.vrooijink@saxion.nl(opent in nieuw tabblad)

Fontys Hogeschool

• dr.ir. Erik Puik, Lector Smart Manufacturing
  erik.puik@fontys.nl(opent in nieuw tabblad)
• ir. Rein van der Mast, Projectleider/onderzoeker
  r.vandermast@fontys.nl(opent in nieuw tabblad)