EO

‘XXL’ composieten 3D-printen

24 februari 2020 om 16:20 uur

De CFAM (Continuous Fibre Additive Manufacturing) 3D-printer is onder andere gebruikt bij de productie van het kunstwerk ‘De drie wijsneuzen’ dat op het strand van De Panne (B) staat.

In november vorig jaar heeft PolyProducts de eerste officiële 3D-printer van CEAD in bedrijf genomen. Een bijzondere printer omdat het de grootste in Europa is, vezelversterkte thermoplastische kunststoffen print. En dan niet alleen korte vezels, maar ook continue glas- of koolstofvezels. Het eindresultaat zijn componenten van maximaal 4 x 2 x 1,5 m die onder meer worden gebruikt voor gevelbekleding, kunst, crossbanen en onlangs voor een composietbrug.

 

Door: Marjolein de Wit - Blok

 

Een 3D-printer werkt traditioneel vaak met filament; een thermoplastische kunststofdraad die wordt verwarmd tot een dikvloeibare massa en door een spuitmond op een ondergrond wordt gelegd. Met de ‘draad' bouw je laagsgewijs in de juiste geometrie het product op. Tot zover niets nieuws. Een van de belangrijkste beperkingen bij dergelijke 3D-printers, zijn de gelimiteerde afmetingen van de producten die je kan printen. Voor spuitgietmachines die ook thermoplastische kunststoffen verwerken geldt dit minder. Maar het nadeel van spuitgietmachines is de onmogelijkheid continue vezels mee te spuiten. En deze manier van kunststofverwerking is eigenlijk alleen geschikt is voor grotere series, vanwege de hoge matrijskosten.

 



techTechnische specificaties CEAD 3D-printer

Printbed: 4 x 2 m

Printhoogte: 1,5 m

Toleranties: tot 1 mm/m op het eindproduct in x-, y- en z-richting

Output: tot 15 kg/uur

 

• Continue glas- of koolstofvezel meeprinten

• 24 uur continu printen

• Verwerkt diverse thermoplasten

   

 

Mallen

Voor het vervaardigen van grotere kunststof onderdelen in (zeer) kleine series, bijvoorbeeld voor boten, zwembaden en gevelbekleding, wordt dan ook vaak teruggevallen op thermoharders zoals vezelversterkt polyester. Deze kunststoffen worden verwerkt in mallen waardoor de afmetingen van een product uitsluitend afhankelijk zijn van de grootte van de mal; en die kan theoretisch oneindig zijn. Ook qua eigenschappen als sterkte, gewicht en stijfheid vormen thermoharders een prima keuze, alleen moeten deze kunststoffen grotendeels handmatig worden verwerkt - automatisering is lastig - én zijn ze tot nu toe nauwelijks geschikt voor recycling. Een belangrijk nadeel in een tijd waarin het streven naar circulariteit steeds belangrijker wordt.

 

2De CFAM (Continuous Fibre Additive Manufacturing) 3D-printer van CEAD met een werkruimte 4 x 2 x 1,5 m (lxbxh) is de tot nu toe grootste, commercieel beschikbare thermoplastisch composietprinter in Europa. 

 

CEAD

De onmogelijkheid om grote producten van thermoplasten te vervaardigen, werd opgepakt door het bedrijf CEAD uit Delft. Medeoprichters en eigenaren Maarten Logtenberg en Lucas Janssen geven aan: "In 2012 waren we tevens oprichters van Leapfrog; een bedrijf waarin nog steeds hoogwaardige 3D-printtechnologieën worden verkocht, maar dan uitsluitend met filamenten op klein formaat. Om ons naast de consumentenmarkt ook op de industrie te kunnen richten, hebben we samen een nieuw bedrijf opgericht: CEAD. Dit staat voor Connecting Engineering and Design en is tevens de combinatie van onze specialismes. De industrie is voor ons interessant omdat daar een concretere behoefte is te definiëren en je met deze bedrijven kunt samenwerken om de juiste oplossing voor een specifieke toepassing te ontwikkelen."

 

3De printkop beweegt in X-Y richting. De beweging in de Z-richting zit n de tafel. 

 

PolyProducts

Een echte start werd gemaakt toen een contact tot stand kwam tussen de twee jonge ondernemers en PolyProducts uit Werkendam. PolyProducts is van oorsprong gericht op de productie van grotere onderdelen van thermohardende kunststoffen maar altijd bezig met nieuwe ontwikkelingen en mogelijkheden voor het bedrijf. Omdat directeur Jan Schrama minimaal zoveel innoverend vermogen heeft als de oprichters van CEAD, werd het eerste gesprek ‘aan tafel' een waardevolle ervaring. Lucas Janssen: "Wij zijn vooral technologie ontwikkelaars en minder bezig met wat de eindgebruiker nu eigenlijk wil. Hiervoor hebben we partners als Jan Schrama nodig die dit wél weet en bovendien in staat is deze eisen en wensen te formuleren. Deze inzichten van de eindgebruiker zijn essentieel."

 

Logisch gevolg

Op basis van de kennis en ervaring die Schrama de afgelopen decennia binnen zijn bedrijf heeft opgebouwd, bleek het pakket van eisen overzichtelijk te zijn en bovendien een logisch gevolg van de diverse ontwikkelingen in de kunststofmarkt. Uitgaande van de producten die Schrama nu maakt met thermohardende kunststoffen, was zijn wens om hetzelfde type product te kunnen maken met thermoplasten. Schrama: "Enerzijds omdat deze kunststoffen veel beter zijn te recyclen en hiermee passen in het streven naar een circulaire wereld én MVO. Daarnaast zijn thermoplasten ook beduidend eenvoudiger en geautomatiseerd te verwerken waardoor vakmanschap in minder grote rol speelt. Bijvoorbeeld met behulp van een spuitgietmachine of een 3D-printer."

 

Serieuze uitdaging

Omdat 3D-printen belangrijke voordelen biedt ten opzichte van spuitgieten - ten aanzien van enkelstuksfabricage en vormgeving - én in de industrie steeds meer wordt geaccepteerd als serieuze productietechniek, zag Schrama zeker brood in deze technologie. Zijn eigen producten zijn echter ruim te groot om met bestaande 3D-printtechnologieën te vervaardigen en vereisen dus een opschaling van de huidige generatie machines. Daarbij voorzag Schrama een serieuze uitdaging: "Thermoharders zijn in beginsel aanzienlijk sterker en harder dan thermoplasten wat nodig is voor producten als zwembaden en gevelelementen", geeft hij aan. "Je kunt met thermoplasten wel vergelijkbare materiaaleigenschappen behalen, maar hiervoor is het noodzakelijk deze kunststoffen te versterken met vezels; in de meeste gevallen gaat het dan om glas- of koolstofvezels die in korte stukjes of als continu vezels worden toegevoegd. Bij PolyProducts hebben we daar veel ervaring mee. Om díe zomaar in een 3D-printer mee te laten lopen, waren echter nog geen oplossingen beschikbaar."

 

Oneindige vezels

‘Geen oplossingen beschikbaar' is als koren op de molen van ontwerpers en dus werd er gestart met de ontwikkeling van een 3D-printer die in staat in thermoplastische, vezelversterkte kunststoffen te verwerken. Niet alleen de varianten waar de vezels als kleine deeltjes zijn opgenomen in de kunststof, maar ook voor producten waarin lange - oneindige - vezels moeten worden verwerkt. De naam werd dan ook: 3D-printer CFAM waarbij de afkorting staat voor Continuous Fibre Additive Manufacturing.

 

1In november 2019 vierde PolyProducts het 50-jarig bestaan. De nieuwe 3D-printer fungeerde als blikvanger. 

 

Binnen krap een jaar - van 2017 tot 2018 - stond een eerste prototype in de werkplaats in Delft. Deze machine heeft een werkruimte 4 x 2 x 1,5 (lxbxh) en weegt 16 t waarmee hij tot nu toe de grootste, commercieel beschikbare thermoplastisch composiet verwerkende printer in Europa is. Elders op de wereld zijn wel grotere versies te vinden, maar niet commercieel beschikbaar óf niet in staat zowel korte als lange vezels met de thermoplasten te verwerken.

 

Extruder en printer

De CFAM-printer is in feite een combinatie van een extruder en een traditionele 3D-printer die met filament werkt. Lucas Janssen: "Dat betekent dat we eerst veel hebben moeten leren over de manier waarop extruders werken. Een eerste mijlpaal was voor ons dan ook om de machine zodanig te laten werken dat we inderdaad met granulaat - een basismateriaal voor industrieel spuitgieten - in staat waren om in onze machine 3D te printen." Het granulaat wordt hiervoor verwarmd in de verticaal gepositioneerde extruder. Hierna komt het vloeibare materiaal aan het einde van de extruder (aan de onderzijde) uit in een doseeropening (nozzle) met een typische diameter van 4 - 8 mm. Door deze printkop in een specifiek patroon te bewegen, legt hij een rups van materiaal met een hoogte van typisch 1 - 2 mm en een breedte van 4 - 12 mm neer in de gewenste vorm.

 

 

Vezels

Een tweede mijlpaal was de mogelijkheid om vezels toe te voegen. Wanneer het om korte stukjes vezel gaat is de oplossing minder ‘spannend'. Deze stukjes worden eenvoudig toegevoegd waarbij de kunststof in de extruder compoundeert met de vezels. Het combineren van het thermoplastische granulaat met lange vezels was een ander verhaal. Lucas Janssen: "Je wilt het liefst de vezels toevoegen op het punt waar de druk het hoogste is. Wanneer je echter daar een opening zou maken, verlies je juist de gewenste hoge druk. De ontwikkeling om dit toch mogelijk te maken is inmiddels gepatenteerd en is echt essentieel geweest voor de gewenste werking van deze 3D-printer."

 

Printkop

Om alle bewegingen en processen naar wens te laten verlopen, is gekozen voor een Siemens Sinumerik-besturing. Deze stuurt onder meer de printkop aan die zich middels twee elektrische assen in XY-richting over het oppervlak beweegt. De benodigde beweging in de Z-richting wordt traditioneel gerealiseerd door de tafel. Ergens lijkt het bijzonder om een speciale Z-aandrijving te realiseren die de zware tafel - geschikt voor het dragen van maximaal 500 kg gewicht - beweegt. Het alternatief is om de beweging in de printkop onder te brengen. Berekeningen toonden echter aan dat deze hierdoor dermate zwaar zou worden, dat het de nauwkeurigheid van het printen te veel zou benadelen. Bovendien zou het de printkop beperken in zijn bewegingssnelheid terwijl dat juist één van de sterke punten is van deze 3D-printer. Lucas Janssen: "Voorlopig print deze 3D-printer zo'n 120 keer meer materiaal per tijdseenheid - tot 15 kg/uur - dan een gemiddelde kleinere printer. Afhankelijk van de gewenste oppervlaktekwaliteit is de snelheid nog verder op te voeren."

 
1Beeld: DSM en Royal Haskoning

 

Schoolvoorbeeld voor circulariteit

 

FRP (Fibre Reinforced Printing) is onder meer toegepast voor een ge3Dprinte voetgangersbrug in een samenwerking tussen Royal HaskoningDHV, CEAD en DSM. De brug is gemaakt uit glasvezelversterkt thermoplastische PET-P (Arnite) gecombineerd met continue glasvezels die tijdens het printproces zijn toegevoegd. De combinatie draagt onder meer bij aan de benodigde hoge sterkte en duurzaamheid. Maurice Kardas, ‘business development manager’, Royal HaskoningDHV: “FRP-bruggen zijn al langer bekend met betrekking tot hun lange levensduur en verwachte lagere lifecycle kosten ten opzichte van stalen bruggen. Nieuw in deze is echter het gebruik van deze 3D print technologie die ons in staat stelt om op grote componenten te printen van vezelversterkte thermoplasten met continue vezels. Extra bijzonder is het feit dat we sensoren in het ontwerp hebben meegenomen waarmee we in staat zijn een digitale tweeling van de brug te bouwen. Deze sensoren kunnen de onderhoudsbehoefte voorspellen en het onderhoud optimaliseren waarmee we extra veiligheid introduceren evenals een langere levensduur. We kunnen hiermee bovendien nieuwe functionaliteit introduceren zoals het monitoren van vitale en ecologische aspecten en het besluitproces verbeteren voor onderhoud en inspectie via dynamische realtime rapportage over de conditie van de brug.”

Patrick Duis, ‘segment leader AM’ bij DSM: “Door gebruik te maken van een materiaal als Arnite behalen we grote voordelen bij juist de constructie van de brug. Ten opzichte van traditionele materialen zoals staal of beton zijn deze lichtgewicht bruggen duurzamer en bieden bovendien een grote flexibiliteit in de vormgeving waarbij bovendien gebruik is te maken van recyclebare materialen. Ontwerpen die voorheen als onmogelijk konden worden beschouwd vanwege de ‘onmaakbaarheid’ zijn plotseling met de 3D printer wel mogelijk.”

 

Precies op tijd

Verder is de besturing, het kloppend hart van de machine, verantwoordelijk voor het materiaaltransport, de beweging van de extruder, het controleren en beheersen van de temperatuur enzovoorts. Door alles met dezelfde besturing te verwerken zijn de verschillende processen goed op elkaar af te stemmen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de bewegingssnelheid van de verschillende assen en de hoeveelheid kunststof die wordt geëxtrudeerd. Hierdoor wordt het printresultaat stukken mooier en betrouwbaarder.

Met het ontwikkelen van de belangrijkste elementen is de machine vervolgens afgerond met het toevoegen van onder andere grondstoftransport en behuizing. Precies op tijd om in november 2019 tijdens de viering van het 50-jarig bestaan van PolyProducts te worden geïntroduceerd.

 

Minder stappen

Met de CFAM-printer zijn goedkoper grote kunststof producten te maken dan op dit moment mogelijk is met thermohardende kunststoffen. Er zijn minder processtappen nodig, het printen gebeurt uiteindelijk volledig automatisch (en dus mensloos) terwijl de vormgeving besloten ligt in de software en niet in een vakkundig gebouwde mal. Het biedt bovendien mogelijkheden om kleine oplages en enkelstuks op locatie relatief goedkoop te vervaardigen. Samengevat betekent dit een kostenverlaging voor het vervaardigen van complexe producten waar sterkte en gewicht een rol spelen en de vormgeving mogelijk complex is.


Materialen

Daarbij is een groot aantal materialen te verwerken. Niet alleen de bekende en veelgebruikte soorten als PP, PET-G en ABS maar ook de highend - technische - kunststoffen zoals PA, PET-P en zelfs PEEK. PolyProducts experimenteert op dit moment bovendien uitgebreid met de mogelijkheden van bio-kunststoffen. Dit zijn kunststoffen die uiteindelijk op een natuurlijke manier worden afgebroken wat ze nog milieuvriendelijker maakt dan de gangbare thermoplasten met hun goede recyclebaarheid. Tot slot zijn er mogelijkheden om stoffen aan het granulaat toe te voegen die de kunststof een speciale eigenschap meegeven. Brandvertragend bijvoorbeeld, antistatisch, glimmend of elektrisch geleidend.

 

1Een andere opdracht voor de XXL printer: elementen voor een BMX-crossbaan. 


Wijsneuzen

Qua toepassingen staan de mogelijkheden met de grote 3D-printer nog in de kinderschoenen. Omdat er nog niet eerder zo groot geprint is met vezelversterkte thermoplasten, is het vrijwel onmogelijk om de betreffende constructeur de data ten aanzien van de materiaaleigenschappen nauwkeurig genoeg beschikbaar te stellen. De kennis en ervaring hieromtrent zijn nog te beperkt. De eerste projecten bij PolyProducts hadden dus vooral betrekking op voorwerpen waarvan de nauwkeurigheid van de technische eigenschappen minder belangrijk zijn zoals in kunstwerken. Het bedrijf is bijvoorbeeld begonnen met de productie van een kunstwerk: ‘De drie wijsneuzen'. Een tweede project betreft de productie van onderdelen voor een BMX-baan (voor crossfietsen). Een prima toepassing omdat het hier gaat om grote, lichtgewicht elementen met diverse krommingen waarvan de seriegrootte ruim te klein is voor serie- of massaproductie.

 

Ervaring opbouwen

Lucas Janssen: "Onder andere door deze projecten wordt ervaring opgebouwd en komen er voorbeelden beschikbaar die aangeven wat er met deze machine mogelijk is. Samenwerkingen met bedrijven als DSM geven de ontwikkelingen een extra ‘boost' maar ook de broodnodige fundamentele materiaalkennis. Verder staan we vooral open om samen te werken met bedrijven die de 3D-printer willen gebruiken; de projecten samen met PolyPproducts maar ook met Royal Haskoning (zie kader) zijn hiervan goede voorbeelden.

 

Dit artikel komt uit vakblad Constructeur 1 - 2020

 

Laatste nieuws Industrieel ontwerpen

Fleet als designstatement

Fleet als designstatement

Vanderlande, marktleider in transportsystemen voor interne logistiek, is ervan overtuigd dat design een essentiële rol speelt in toekomstbestendige innovaties. Want design, in de brede zin van het woord, verenigt alle…

Vintage meubelbeurs Design Icons

Vintage meubelbeurs Design Icons

75 professionele vintage designhandelaren uit heel Europa keren op 29 + 30 augustus terug naar Amsterdam voor de achtste editie van Design Icons 2020. Een divers aanbod van interieur objecten zal worden verkocht aan…

Hoe zit dat?

Hoe zit dat?

Deze op spaghetti geïnspireerde bank komt niet zoal je misschien zou verwachten uit Italië, het land van de pasta’s.

Pennenpalet

Pennenpalet

Even een schetsje maken? Dan is het handig als je een voorraad van je favoriete kleurenpennen paraat hebt. Maar waar laat je die dingen? En hoe zorg je dat je niet misgrijpt als je juist die ene kleur nodig hebt?

Opvouwbare fietshelm

Opvouwbare fietshelm

Het idee dat een beschermende fietshelm een stevige, stijve, enkelvoudige vorm moet hebben, is met de opvouwbare FEND One verleden tijd.

Meer nieuws »

Kennismaken

Wilt u op de hoogte blijven van nieuws op het gebied van industriële product- ontwikkeling?

Meld u dan aan voor de digitale nieuwsbrief van Product:button

 

Product

klWelkom op de webpagina van Product. Product informeert over de nieuwste ontwikkelingen in de wereld van de industriële productontwikkeling op het gebied van technologie, materialen, vormgeving en ontwerp. De rubriek in het magazine Constructeur biedt een mix van bedrijfsstrategische, economische en technische informatie met betrekking tot alle partijen die van belang zijn. Kortom, een bron van inspiratie voor de dagelijkse praktijk van de ontwerper.

 

Deze maand in het magazine

product


















 

 

Martin Visser

De slaapbank die ogen opende

Mira-Pet

Ultrasone tandenborstel voor je hond


mo man tai

ShareBees


Sign & Print

Festival

 
Product gaat in 2020 verder als katern

in het blad Constructeur

 

Dossier stijlgeschiedenis

bauhausIn de afgelopen eeuwen zijn veel verschillende producten en gebouwen ontworpen. Onderling vertonen veel van deze producten en gebouwen gemeenschappelijke kenmerken waardoor ze in te delen zijn in stijlen. Ontwerpstijlen zijn niet absoluut, ze ontstaan niet van de een op de andere dag en niet in alle landen tegelijk. Daarnaast ontstaan er kleine verschillen in kenmerken van een stijl vaak per land en per ontwerper. Stijlen of in elk geval de kenmerken daarvan herhalen zich door de tijd heen. Toch is het met voldoende kennis over de kenmerken goed mogelijk de stijlen te herkennen in producten. In een reeks artikelen worden de belangrijkste stijlen na de Industriele Revolutie besproken .

 

Stijlgeschiedenis, ArtdecoArts & Crafts, Bauhaus, Jugendstil, Modernisme, Postmodernisme, Na postmodernisme

 

Auteurs: Marijke Timmermans en Celine Joosten (studenten IO, Universiteit Twente)