Auteur: Karl D’haveloose

Je kan er over debatteren als techneut of als investeerder. Maar Additive Manufacturing (hier AM) ligt momenteel niet in het favorietenmandje van investeerders. Eerlijk gezegd, wie bij leveranciers, zeker die van metaalprinters, aanklopt, hoort dat de klad nog steeds in de salesfunnel zit. Maar zoals met iedere waarheid is er nuance nodig: iedereen heeft gelijk, zolang men de bochten maar kort genoeg neem. 6 jaar terug dacht iedereen dat je morgen gewoon een metaalprinter kocht en de dag erop al begon te printen. Vandaag hoor je in de wandelgangen dat tal van apparaten onder het stof staan weg te kwijnen.

Kort even mijn visie. Als je inzoomt op spelers zoals Materialise, die ook in de VS printen voor diverse sectoren zie je tussen de regels van de kwartaalcijfers de harde waarheid: vooral medische toepassingen en defensie houden de boel overeind. De industriële printmarkt zit momenteel simpelweg op zijn gat en gezien de huidige conjunctuur gaat dat ook niet snel veranderen.

Toch gloort er licht, ook op de Belgische markt, specifiek in het segment van complexe mallen en unieke prototypes waar soms unieke stukken worden vervaardigd. Hier ontstaan business cases waar ook in titanium of andere legeringen wordt geprint. Om mijn titel te begrijpen, moeten we kijken naar de strijd tussen het gevestigde 'Design for Manufacturing' (DfM) en de ontwrichtende 'stiefzus' Design for Additive Manufacturing (DfAM). Ik neem je mee in dit verschil en presenteer aansluitend enkele business cases, die zowel de ingenieur als de investeerder gegarandeerd zullen triggeren.

Met en zonder A tussen DfM

Design for Additive Manufacturing (DfAM) is de ontwerpmethodologie die zich specifiek richt op de maximalisatie van de functionele prestaties en de kostenefficiëntie van producten, die via AM  worden vervaardigd. Waar Design for Manufacturing (DFM) traditioneel focust op het beperken van complexiteit voor frees- of gietwerk, draait DfAM juist om het benutten van de enorme vormvrijheid die laag-voor-laagproductie biedt. Zoals u weet, is het ene additief, het andere destructief.

DfAM gaat verder dan het simpelweg aanpassen van een bestaand ontwerp. Het vereist een radicale heroverweging van de productopbouw.

• Part consolidation: Het combineren van meerdere onderdelen uit een assemblage tot één enkel, complex 3D-geprint component. Dit vermindert de montagetijd, devoorraad en het aantal potentiële storingspunten.
• Topology optimization: Het gebruik van software om materiaal alleen te plaatsen, waar het structureel noodzakelijk is. Dit resulteert vaak in organisch ogende, lichtgewichtontwerpen met een optimale sterkte-gewichtsverhouding.
• Lattice structures: Het integreren van interne roosterstructuren om gewicht te besparen, energie te absorberen (bijv. in implantaten) of warmte beter af te voeren.
• Generative design: Een proces waarbij algoritmen en AI duizenden ontwerpopties genereren op basis van vooraf ingestelde parameters, zoals materiaal, gewicht en budget.

Beperkende ontwerprichtlijnen

Ondanks de vrijheid kent AM specifieke technische beperkingen waarje  in de ontwerpfase rekening mee moet houden:

• Wanddikte: Elk proces heeft een minimale wanddikte om structurele integriteit te garanderen (bijv. minimaal 0.5 tot 1 mm afhankelijk van de techniek).
• Overhang en support: Vlakken die onder een hoek van meer dan 45 graden hangen, hebben vaak ondersteuningsstructuren (supports) nodig om doorzakkingen te voorkomen.
• Oriëntatie: De positie van het onderdeel op het printbed beïnvloedt de sterkte (anisotropie), de oppervlaktekwaliteit en de hoeveelheid benodigde support.
• Toleranties: Rekening houden met krimp en thermische vervorming tijdens het koelen om te zorgen dat onderdelen correct passen.

Weet dat op vandaag ook bekende spelers, zoals Siemens NX en Autodesk Fusion 360, reeds CAD-geïntegreerde tools voor AM aanbieden. Daarnaast zijn er de specialisten, die enkel en alleen op het genereren van AM-gebaseerde modellen focussen, zoals nTop (het vroegere nTopology) en Ansys Additive Suite; aan ontwerpplatformen geen gebrek dus.

Nu je weet wat het is en welke parameters en beperkingen relevant zijn, komen we tot de essentie die Industrialnews Monthly je wil meegeven: wanneer is het opportuun om te kiezen voor AM-gefundeerde modellen en wanneer valt de keuze op traditioneel ontwerpen voor complex verspanen. Tot slot zoek ik uit of er geslaagde business cases zijn die vanuit een engineering- en productiemodel of een investeringsstandpunt het nodige vertrouwen bieden.

We weten dat DfAM de traditionele productielogica volledig doorbreekt. Dus is het zinvol om even uit te leggen hoe en door wie dit in de praktijk wordt toegepast. Als lezer kan je jezelf alleen maar afvragen? Die business cases, moeten we die veraf zoeken of wat gebeurt er in ‘ons platte landje’.

De GE LEAP FUEL NOZZLE en zoveel meer

Vanuit ingenieursstandpunt moeten ontraditionele brandstofnozzles in straalmotoren complexe interne paden hebben om brandstof en lucht perfect te mengen voor een efficiënte verbranding. De vorige nozzle bestond uit 20 losse onderdelen, die werden gegoten en gefreesd en vervolgens via lassen en hardsolderen werden geassembleerd. Via DfAM maak je nog 1 onderdeel.

Meer nog, alle complexe en gebogen kanaaltjes voor interne koeling, die met boren onbereikbaar zijn en bovendien erg vatbaar zijn voor koolstofafzetting, kunnen nu in alle vrijheid geconfigureerd worden om de levensduur te verlengen. Voor het printen werd gewerkt met een Cobalt-Chrome superlegering via Direct Metal Laser Melting. Dit materiaal is extreem hittebestendig, maar laat zich heel moeilijk verspanen. De nozzle is 25 % lichter dan zijn voorganger en 5 maal duurzamer dankzij de levensduur en het efficiënter materialengebruik.

Vanuit investeerderstandpunt (voorbij de experimenteerfase) is het even opportuun om in te zoomen op ROI, TCO en schaalbaarheid. GE krijgt door een brandstof efficiënt product een concurrentieel voordeel, want de geoptimaliseerde nozzle draagt bij aan de 15% lagere brandstofconsumptie van de LEAP-motor en gaat 5 keer langer mee. Voor een luchtvaartmaatschappij vertaalt dit zich jaarlijks in een besparing van miljoenen euro’s en TCO per vliegtuig.

GE zelf bespaart en optimaliseert de supply chain en voorraden door 20 onderdelen te elimineren en dat met 1 basisgrondstof (poeder). In 2023 passeerde GE de mijlpaal van 180.000 geprinte nozzles. Dit bewijst dat AM geen nichetechnologie meer is voor prototypes, maar een robuust proces voor massaproductie. Ondertussen wordt de technologie ook voor andere componenten ingezet.

Even terug naar de Belgische realiteit. Waar wordt DfAM als interessante business case verder geïmplementeerd voor het complexere (margevolle) werk. Schoolvoorbeelden zijn o.a. de case van Materialise en Atos met de titanium satellietinsert en de koelblokken voor ASML met Melotte. Ook in de maritieme sector en scheepsbouw zijn er via het Belgische Guaranteed toepassingen met WAAM (ware arc additive manufacturing) waar maritieme assen en pompen hersteld worden door robotarmen die printen in plaats van lassen. Daarnaast zijn er de Nederlandse RAmblab gecertificieerde scheepsschroeven van 400 kg en aanmeerhaken- en bolders voor haven en offshore, die eveneens worden geprint.

Voor de ASML-Melotte case bijvoorbeeld zat voor de ingenieur de win in het verleggen van de limieten voor thermische beheersing en fluid dynamics in de koelblokken. In de EUV-lithografiemachines van ASML moet warmte extreem snel worden afgevoerd om nanometerprecisie te behouden. Traditioneel geboorde kanalen hebben ‘dode hoeken’ waar turbulentie ontstaat en wat de flow vertraagt. DfAM maakt conformal cooling mogelijk: kanalen die de exacte vorm van de hittebron volgen met gladde, gebogen overgangen.

Door de koelblokken volledig via DfAM te ontwerpen en te printen via Direct Metal Laser Sintering op heel hoge resolutie verhoogde de warmteoverdrachtscoëfficient met 30 % voor de laminaire flow.

Voor ASML betekent een betere koeling dat de machine op een hogere snelheid (throughput) kan werken zonder oververhitting. Dit verhoogt de output van de chipfabriek (Fab), wat cruciaal is in een markt met tekorten. Qua onderhoud zijn er door gebrek aan lasnaden geen lekkages meer, wat resulteert in een uptime van meer +150 miljoen dollar.

Concreet, voor wie het even in een grafiek wil gegoten zien: het is vrij simpel te benoemen als de complexity for free paradox. Ongeacht de seriegrootte wordt ontwerpen vanuit een DfAM perspectief interessant als je als bedrijf het omslagpunt kan berekenen tussen de ontwerpcomplexiteit en de integrale productiekost per eenheid.