Haco.com
Haco Plasma Cut

Worden CNC machines weldra vervangen door 3D-printers?

In een wereld van rapid-prototyping en automatisatie, wint SLM of 3D-printen (andere namen zijn additive manufacturing of layer manufacturing) steeds meer aan terrein ten opzichte van het klassieke draai- en freeswerk van de CNC machines. Hoewel beide technieken werken volgens het principe van CAD-CAM, vallen er fundamentele verschillen in de opbouw & toepassing te noteren.

Cad-Cam illustratie

(bron: http://www.3dprintcompany.nl/rm_process.html)

SLM1 is het laagsgewijs opbouwen van een product zonder matrijs en zonder materiaalverlies. Het proces in een notendop: 3D-bestanden (CAD-files) worden ingeladen in een computerbesturingsprogramma (CAM) en vervolgens vertaald naar verticale laagjes. Via lasertechnieken wordt daarna selectief de uiteindelijke vorm verhit. Het overtollige materiaal (dat geen deel uitmaakt van de vorm en dient verwijderd te worden) blijft onaangetast en kan worden hergebruikt. Doordat een 3D-printer in laagjes werkt, kunnen functionele vormen en onderdelen worden gemaakt die anders niet mogelijk zouden zijn. Bovendien bespaart een bedrijf op energie en grondstoffen.

Binnen CNC-manufacturing staat de technologie echter ook niet stil. 3D software maakt een forse opmars waarbij dynamisch programmeren het sleutelwoord is. De Haco Plasma Snij- en Pons software bijvoorbeeld stelt de gebruiker in staat de opties van Plasma-, Pons- en Lasersnijsystemen te optimaliseren dankzij de geïntegreerde 3D CAD-CAM modules. Wat resulteert in een hogere productiviteit en een minimalisatie van restmateriaal.

Zo’n vaart zal het (nog) niet lopen

De voordelen van 3D-printen zijn al uitvoerig besproken, maar of SLM weldra CNC-manufacturing zal vervangen, valt ten zeerste te betwijfelen. Er zijn namelijk 5 fundamentele problemen die eerst moeten worden aangepakt.

Probleem 1 | oppervlakte-afwerking

De oppervlakte-afwerking van de SLM-gemaakte onderdelen komt tekort voor onderdelen die ergens op moeten worden aangesloten of voor precisie-onderdelen. Dit omdat het oppervlak van SLM opgebouwde onderdelen inherent ruw is door de aanplak van gedeeltelijke gesmolten metaalpartikels en de manier van laag voor laag opbouwen. 

Probleem 2 | Ondersteuningsstructuren 

Bij SLM worden via lasertechnieken metaalpartikels laag voor laag aan elkaar gesmolten. Vooraleer het model wordt opgebouwd, moeten eerst ondersteuningsstructuren worden gebouwd. Zo worden alle overhangende oppervlakken bevestigd aan de bouwplaat door deze ondersteuningsstructuren, die op hun beurt de overhangende secties op hun plaats houden tijdens het opbouwen, dit om te voorkomen dat het model in kwestie inzakt door het eigen gewicht. Daarnaast zorgen deze ondersteuningsstructuren voor een warmteoverdrachtsroute om oversmelting te voorkomen.

Later moeten deze structuren opnieuw worden verwijderd en hoewel zij daarvoor zijn ontworpen (breken relatief makkelijk af), resulteert dit nadien in een duidelijk zwakkere oppervlakte-afwerking aan de onderkant waar de ondersteuningsstructuren werden bevestigd.

Probleem 3 | Vervorming door residuele stress

Bij het verwijderen van het SLM-opgebouwde onderdeel van de bouwplaat kunnen hogere niveau’s van residuele spanning ontstaan (ten gevolge van lokale verhitting en koeling inherent aan het SLM proces). Daardoor kunnen ernstige vervormingen optreden. Een gepaste warmtebehandeling van SLM-stukken is een mogelijkheid, maar biedt geen garanties.

Probleem 4 | Inconsistentie van materiaal structuur binnenin het onderdeel

De thermische geschiedenis van het SLM-opgebouwde onderdeel is grotendeels afhankelijk van de geometrie van het onderdeel. Een sectie met een dunne wand kan bijvoorbeeld trager afkoelen dan een sectie met een dikke wand. Dit heeft echter een grote impact op de microstructuur en dus de mechanische eigenschappen van het onderdeel in kwestie. Verder onderzoek zal moeten de precieze toedracht uitwijzen, maar het blijft vooralsnog één van de grote onbekende factoren in het proces.

Probleem 5 | Kostenefficiëntie

SLM-machines zijn niet goedkoop en de kosten en de bouwtijd zijn vaak moeilijk in rekening te brengen. Zo is de afzettingssnelheid moeilijk te voorspellen en sterk afhankelijk van het type materiaal en de vorm van het onderdeel. Bovendien wordt algemeen aangenomen dat een CNC-machine (bijvoorbeeld: de Haco Q5 ponsmachine) sneller metaal kan verwijderen dan een 3D-printer metaal kan toevoegen.

Conclusie

Kortom: 3D-printen kan CNC-manufacturing (nog) niet vervangen, maar moet worden aanzien als een complementair instrument. Wij bij Haco specialiseren ons al jarenlang in de ontwikkeling van hoogstaande metaalbewerkingsmachines (ponsmachines, kantbanken, plaatscharen, plasmasnijders…) en oplossingen op maat voor uw productie. Met onze machines en de bijbehorende 3D-software hebben wij overigens al de brug tussen traditie en toekomst geslagen.

1 Selective laser melting