Additive manufacturing van metalen onderdelen: 7 stappen (casestudy)

Omdat de additive manufacturing (AM) technologie blijft evolueren, worden er almaar complexere onderdelen in 3D geprint. Maar elk materiaal heeft zijn eigen karakteristieken waardoor het zijn eigen fabricageproces vereist. Hoe zit het dan met metaal? Sirris nam de proef op de som. We hebben ‘s werelds allereerste cilinderkop voor een nieuwe automotor geprint. De beste praktijkervaringen die we onderweg opdeden, hebben we in deze 7 stappen samengevat.

De cilinderkop is gemaakt van Ti6Al4V, een uiterst sterke titaanlegering, en het zal worden gebruikt in de motor van de EcoMOTION, een prototypewagen ontwikkeld door de Haute École de la Province de Liège (HEPL ‑ Hogeschool van de Provincie Luik). De opdracht: een complex metalen onderdeel produceren dat vitaal is voor onze hedendaagse economie en hierbij een minimum aan materiaal gebruiken en de tijd voor het proces van ontwerp tot fabricage inkorten.

1. Herontwerp

Het oorspronkelijk onderdeel werd opnieuw ontworpen om twee belangrijke redenen: om te kunnen profiteren van de voordelen van additive manufacturing, en om te voldoen aan de specifieke productieaanpak. Eerst werd de cilinderkop opnieuw ontworpen in een lichtere versie. Tegelijkertijd werden er extra vierkanten op het oppervlak toegevoegd om de smeltzone (zie stap 5) per laag te verkleinen. Er werd ook extra dikte toegevoegd, om een eindafwerking mogelijk te maken (zie stap 7).

 
Het origineel onderdeel (links) en het opnieuw ontworpen onderdeel (rechts)

2. Technologie

Het kiezen van de juiste machine(s) is een cruciale stap. Voor het produceren van de cilinderkop hebben we een Electron Beam Melting machine (Elektronenstraling Smeltmachine) gebruikt. Deze machine, die gebaseerd is op de poederbedtechnologie en gevoed wordt door een elektronenstralingsbron, smelt metaal in opeenvolgende lagen - vandaar de term “additive”. 

3. Heroriëntatie

Om de perfect nauwkeurige hoeveelheid gesmolten metaal aan te brengen, moet het onderdeel correct georiënteerd zijn in de 3D-ruimte. Het is immers zo dat teveel smelten per laag tot gebreken kan leiden.

4. Steunen genereren

Soms zijn er tijdens het printproces bijkomende steunstructuren nodig als een soort van steigers. Wanneer het onderdeel voltooid is, kunnen de steunen worden verwijderd. Voor de cilinderkop hebben we gespreide en gefragmenteerde steunen gemaakt, zodat ze gemakkelijker met de hand kunnen worden verwijderd (aangeduid in oranje).

5. Het produceren zelf

Het printen van het onderdeel is een snel proces – we hebben twee onderdelen geproduceerd in 24 uur. Geklonterd metaalpoeder in de machine kan achteraf gemakkelijk worden gerecycled.

6. 3D-scanning

Als de oriëntatie niet optimaal was (zie stap 3), dan zouden thermische spanningen tijdens het productiestadium vervormingen kunnen veroorzaken. In elk geval is een optische scan aanbevolen om de afmetingen van het onderdeel te controleren en het onbewerkte stuk correct te positioneren voor het verspanen. 

7. Eindafwerking

Tijdens de laatste stap kunnen we specifieke oppervlakken behandelen om bijzondere eigenschappen toe te voegen. Het is belangrijk dat er met dit stadium rekening wordt gehouden op het moment dat het onderdeel opnieuw ontworpen wordt (zie stap 1). Een overmaat van 1 mm was in alle zones toegevoegd.
Het onderdeel heeft twee nabewerkingsstappen ondergaan. Vooreerst, een chemisch polijsten van interne kanalen die moeilijk toegankelijk zijn, waarop een vereiste nabewerking volgt van alle functionele elementen en toleranties.

Klaar! Het onderdeel is volledig klaar om in de motor te worden gemonteerd. En we kunnen dus met trots zeggen dat het werkt!

Kom meer te weten over additive manufacturing tijdens ons event
Een grondig inzicht in de vele voordelen van AM is een goed begin… maar deze technologie daadwerkelijk in uw bedrijf integreren, is een heel ander verhaal. Bent u benieuwd om meer te weten? Schrijf u dan in voor ons event "Flexibeler en efficiënter produceren met additive manufacturing" op 7 juni 2016.