Algemeen

Metalen componenten efficiënt 3D printen

efficiënt 3D printen
Een structureel geoptimaliseerde wielophanging van een ultralicht voertuig. Het is ontworpen voor vervaardiging via additive manufacturing in het 3D-print laboratorium aan Fraunhofer EMI. (foto: Fraunhofer EMI)

Het Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI) in Freiburg beschikt over een nieuw laboratorium voor 3D printen. Wetenschappers hebben hier onderzocht hoe efficiënt additive manufacturing omgaat met bronnen wanneer componenten uit aluminium additief worden geproduceerd. Ook kleine besparingen per onderdeel brengen bij serieproductie grote kostenbesparingen met zich mee.

Het laboratorium beschikt over een van de grootste commercieel beschikbare 3D printers voor metalen. Op de volgens het selectief lasersmelten (SLM) werkende machine kunnen metalen structuren me afmetingen tot 40 cm additief worden vervaardigd.

De 3D printtechniek biedt nieuwe mogelijkheden om onderdelen met complexe vormen te maken en tegelijkertijd het gewicht te optimaliseren. Maar pas bij de combinatie bij additive manufacturing en lichtgewicht construeren is een efficiënte productie mogelijk.

Maar hoe zuinig is het productieproces echt met bronnen? Zijn de materiaal- en operationele kosten in vergelijking met conventionele industriële methoden te minimaliseren? Dat heeft het instituut in het nieuwe laboratorium onderzocht aan de hand van een component die echt toepasbaar zou kunnen zijn.

Wielophanging

Als onderdeel voor de test werd een wielophanging gebruikt zodat die bijvoorbeeld in een lichtgewicht voertuig zou kunnen worden gebruikt. De onderzoekers konden kwantificeren hoe lichtgewicht bouwen en met name het gebruik van methoden voor structuuroptimalisering zouden uitwerken op de toegepaste bronnen tijdens het SLM productieproces. Daarbij stonden de stroom- en materiaalbehoefte, productietijd en CO2 centraal die bij een kleine serie producten (twaalf wielophangingen) optreden.

In in de eerste stap hebben de onderzoekers een ontwerp met behulp van de numerieke eindige elementen methoden (FEM) gesimuleerd en geanalyseerd en de geschikte geometrische vorm bepaald. Vervolgens construeerden ze de wielophanging in het geoptimaliseerde lichtgewicht ontwerp. Het resultaat was een ophanging die is afgestemd op de gedefinieerde lastscenario’s en maximale prestaties levert. Op grond van hun geometrische complexiteit zijn dergelijke structuren niet conventioneel via bijvoorbeeld frezen of draaien te maken.

Resultaten

Met het lichtere model konden de onderzoekers tijdens de productie veel bronnen besparen omdat per onderdeel minder materiaal kan worden gebruikt. Vermenigvuldigt men dit naar een kleine serie, dan is minder tijd, materiaal en energie voor de productie nodig. Een besparing van de volumes door het gebruik van hogesterkte materialen biedt hierbij het grootste potentieel voor besparingen.

Met behulp van de numeriek geoptimaliseerde versie van de wielophanging werd in vergelijking met het conventionele ontwerp 15% van de voor het additieve proces benodigde energie bespaard. Het stroomverbruik bedroeg bij het conventionele ontwerp 12 kWh, bij het numeriek geoptimaliseerde ontwerp slechts 7 kWh. Deze gemeten waarde betreft steeds één onderdeel bij serieproductie. De productietijd kon met 14% en de CO2-emissie met 19% worden verminderd. Met 28% viel de besparing aan materiaal nog hoger uit.

Kiezen voor additive manufacturing

Structuur optimaliserende algoritmen respectievelijk numerieke optimaliseringssimulaties bij het 3D printen an onderdelen wordt al langer gebruikt, maar alleen wanneer de componenten een zo lag mogelijke massa moeten hebben om later in bijvoorbeeld vliegtuigen brandstof te besparen. Onderdelen waaraan gezien de toepassing geen optimalisatie van de structuur vereisen, worden net als voorheen met conventionele industriële methoden geproduceerd.

De resultaten van de productie van de kleine serie wielophangingen doen vermoeden dat additive manufacturing ook interessant is wanneer een onderdeel niet per se structureel geoptimaliseerd hoeft te worden. Een warmtewisselaar of een gereedschap hoeft niet licht te zijn om zijn functie beter te vervullen. Toch is het zinvol om ze voor een lager gewicht en volume te construeren wanneer ze additief worden vervaardigd, omdat men de productiekosten kan verlagen.

Efficiënt 3D printen

De prognoses welk effect het additief vervaardigen van metalen onderdelen op de wereldwijde productie zal hebben, lopen uiteen. Ze zijn het echter over één ding eens: voor veel industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, de voertuig- en medische techniek en de machinebouw is het een ‘game changer’. De positieve resultaten aan het 3D print laboratorium met betrekking tot het rendement van gebruike bronnen kunnen die ondersteunen.

In de toekomst willen de onderzoekers uitzoeken in hoeverre productgrootte, seriegrootte en materialen zoals titanium het efficiënt omgaan met bronnen voor het productieproces beïnvloeden.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven