Aluminium 3D printen tegen de kostprijs van FDM-printen en met de mechanische eigenschappen van gietstukken: dat belooft Grob met het Liquid Metal Printing proces. Christoph de Pay, Productmanager Additive Manufacturing bij Grob, legt uit hoe de technologie werkt, waar ze staat ten opzichte van laser poederbed processen, en waarom Grob bewust geen hybride machine bouwt.
De GMP 300 (Grob Metal Printing) werkt op basis van een principe dat radicaal verschilt van de gevestigde poederbedprocessen. Als uitgangsmateriaal gebruikt de machine een standaard aluminium lasdraad. Deze draad wordt gesmolten waarna een mechanische stempel vloeibare druppels één voor één op een verwarmde bouwplaat deponeert. Deze stempel beweegt over slechts enkele micrometers in het smeltbad. “Wij gebruiken geen poeder en geen laser. De stempel beweegt met een frequentie van maximaal 500 Hz op en neer in de smelt. Die mechanische impuls schiet de druppel eruit”, zo legt Christoph de Pay het LMP proces van de Duitse machinebouwer uit. In de praktijk print de machine tussen de 150 en 500 druppels per seconde, afhankelijk van de vereiste precisie en opbouwsnelheid. De druppeldiameter bedraagt 0,03 tot 0,08 mm, de positioneernauwkeurigheid is 0,015 mm. Dit resulteert in het eindonderdeel tot een maatnauwkeurigheid van 0,2 mm en wanddiktes van 0,5 tot 1 mm. Deze wanddikte wordt bepaald door de druppelgrootte.
Spanningsarm 3D printen van aluminium onderdelen
De machine print tussen de 150 en 500 druppels (0,03-0,08 mm doorsnede) per seconde
Wat doet Grob anders?
Deze mechanische depositie van de aluminium druppels onderscheidt de GMP 300 van het enige andere Liquid Metal Printing-concept op de markt, dat teruggaat op technologie ontwikkeld door het Amerikaanse Vader Systems en later overgenomen door Xerox en inmiddels gekocht door Additech. “Zij positioneren de druppel via een elektromagnetische impuls, met de Lorentz-kracht. Wij actueren mechanisch, waardoor we de slaglengte, versnelling en snelheid van de stempel kunnen instellen en zo ook de druppelgrootte en druppelsnelheid precies kunnen beïnvloeden,” aldus De Pay.
Is het mogelijk om de druppelgrootte tijdens één printjob te wisselen?
Christoph de Pay: “Technisch wel, maar in de praktijk kiezen we momenteel bij aanvang van een job één druppelgrootte. Deze kiezen we bij de start afhankelijk van de nauwkeurigheid van het werkstuk die we willen. We zijn er echter volop mee bezig. Het idee is om de buitencontour met een kleine druppel te printen voor een gladde oppervlakteafwerking, en de vulling binnenin met een grote druppel voor een hogere opbouwsnelheid.”
99,9% dichtheid, geen interne spanningen
Grob haalt met de GMP 300 (bouwvolume 300 bij 300 bij 300 mm) dichtheden tot 99,9%, vergelijkbaar met Laser Powder Bed Fusion. In tegenstelling tot die technologie, heeft het LMP-proces geen last van vervormingen van het werkstuk, evenmin van interne spanningen die tijdens het 3D printen ontstaan. De GMP 300 verwarmt namelijk de bouwplaat actief zodat het onderdeel gedurende het volledige proces op circa 100 graden onder het smeltpunt van het aluminium blijft. Daarnaast zit er in elke druppel precies genoeg energie om de ernaast liggende druppel kort opnieuw op te smelten en zich er perfect mee te verbinden, maar te weinig energie om vervormingen te veroorzaken. Christoph de Pay: “Het is eigenlijk een microgietproces, geen lasproces zoals bij SLM of DED. Hierdoor zijn de 3D geprinte componenten spanningsarm.” Restspanningen en vervorming, klassieke pijnpunten bij poederbedprocessen, zijn bij de GMP 300 nauwelijks aanwezig. Na het printen lossen de onderdelen automatisch van de bouwplaat zodra die afkoelt. Het bouwplatform is verdeeld in vier zones die men individueel kan inschakelen. Kleinere componenten kan men in één zone printen om daarmee energie te sparen door de andere drie zones uit te schakelen.
Grob GMP 300 aluminium 3D printer concurreert meer met conventionele technieken dan met AM-machines
Waar positioneert Grob de GMP 300?
De Duitse machinebouwer positioneert de GMP 300 als een unieke AM-oplossing voor wie aluminium wil 3D printen. Christoph de Pay ziet de machine niet concurreren met andere AM-technieken omdat deze meestal zeer hoge investeringen vergen, terwijl de GMP 300 aluminium onderdelen print tegen de kostprijs van FDM-printers. Een LPBF-machine met een vergelijkbaar bouwvolume kost een gelijkaardige aanschafprijs van 400.000 tot 500.000 euro. Maar bij die investering blijft het niet. Poederbeheer, poederbereiding, argon als procesgas, explosieveiligheidsmaatregelen, reinigingsinstallaties en persoonlijke beschermingsmiddelen vormen een substantieel deel van de totale cost of ownership. De GMP 300 verwerkt standaard lasdraad, gebruikt stikstof in lage concentraties als procesgas en vereist geen van de genoemde randinstallaties. De machine draait op slechts 4 kWh tijdens normale printcycli, is weinig gevoelig voor omgevingsinvloeden en laat zich inzetten in ruimtes die voor poederbedmachines ongeschikt zouden zijn. “Een LPBF-machine kost ook 400.000 of 500.000 euro, maar daarna komt er nog eens hetzelfde bedrag bij voor poederinfrastructuur. Dat hebben wij niet. De machine is alles wat je nodig hebt”, aldus de Productmanager AM van Grob. Daarom zijn de toepassingen veelzijdig. De machinebouwer zet de 3D aluminiumprinter zelf in voor onder andere aluminium prototypes van grijpers en andere componenten voor automatisering. Christoph de Pay: “Bij enkel stuks of een kleine batch ben je sneller. Je importeert de STEP-file in de slicer die de G-code genereert en je kunt starten. Veel minder voorbereidingstijd vergeleken met CNC-frezen uit vol materiaal. Bovendien verspil je minder materiaal. Afhankelijk van de complexiteit valt de totale kostprijs van het 3D geprint aluminium deel lager uit vergeleken met CNC-frezen (inclusief nafrezen van kritische vlakken) zolang het om enkelstuks of series tot vier of vijf gaat. Bij grotere series en werkstukken met een gering spaanvolume wordt het verspanen concurrerender dan de near net shape printtechnologie. Maar als het om werkstukken gaat waar veel van het materiaal verspaand moet worden, kan het omslagpunt weer anders liggen.
Qua toepassingsdomeinen ziet Grob de grootste kansen in low-to-medium volume productieonderdelen die tot nu toe uitsluitend in kunststof werden gemaakt maar mechanisch of thermisch ondermaats presteren, in maatwerk grijpers en opspanmiddelen voor automatiseringslijnen, en in defensie en mobiele inzet.
Skin-Core technologie
Momenteel is de druppelgrootte gedurende de hele printjob constant. Grob werkt echter aan een zogenaamde Skin-Core technologie om de druppelgrootte tijdens het printproces te wijzigen. Het idee is om de wanden van een werkstuk met kleinere druppels te printen om een gladder oppervlak te krijgen en binnenin, waar ruwheid minder belangrijk is, met grotere druppels de snelheid op te voeren.
Grob plant andere metalen voor de GMP
Geen hybride
De logische vraag voor een machinebouwer die zowel freescentra als 3D printers maakt, is of een hybride machine beide technologieën combineert. Grob kiest hier nadrukkelijk niet voor. “We willen deze machine niet twee keer zo duur maken met twee dure technologieën, waarvan er altijd één stilstaat. Een printer en een kleine freesmachine naast elkaar: dan is elke technologie altijd productief”, zo motiveert Christoph de Pay deze beslissing. “Het is zinvoller om zo’n 3D printer naast een kleine freesmachine te plaatsen, dan kan elke technologie altijd productief zijn.”
Slotvraag: hoe kijkt Christoph de Pay tegen de huidige additive manufacturing markt aan?
“Velen zijn teleurgesteld omdat ze veel verwachtten van additive manufacturing, grote investeringen hebben gedaan en nu wellicht de machines niet vol gebruikt zien worden. Of helemaal niet gebracht hebben wat beloofd. Tegen dat beeld vechten wij ook. Maar we proberen precies de nadelen die de oorspronkelijke processen hadden, te vermijden. En wij kunnen zo goedkoop onderdelen 3D printen dat we niet per se met gevestigde additive manufacturing processen concurreren, maar ook met conventionele bewerkingstechnieken. Denk aan frezen uit vol materiaal, klassiek dieptrekken in kleinere batches en wellicht ook met 3D printen met kunststof. Niet met de goedkope FDM printers, wel met de systemen voor vezelversterkte kunststoffen.
Alleen aluminium of ook andere metalen?
De GMP 300 verwerkt vandaag enkel aluminiumlegeringen. De 4000-serie, waaronder AlSi10Mg en AlSi12, gedraagt zich het meest stabiel. De 6000-serie is beschikbaar; de 7000-serie is in ontwikkeling. Het bredere stollingsinterval van hooglegerings aluminium veroorzaakt uitscheidingen aan korrelgrenzen, een uitdaging waaraan het team actief werkt.
Andere metalen zijn gepland. Koper en magnesium worden als eerstvolgende stap naar voren geschoven, mits de smeltkop aangepast wordt voor hogere temperaturen. De machine voorziet in een handmatige laadopening. Hierdoor kan men de machine vullen met bijvoorbeeld pellets of spanen als feedstock materiaal. Grob onderzoekt dit en heeft dit nog niet vrijgegeven. Het is wel een interessante ontwikkeling om aluminium spanen uit de verspaning te recyclen.