Additieve productie
Akoestisch monitoren – Is het de sleutel tot commercialisering van lasergebaseerde additive manufacturing?
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
De markt voor additive manufacturing groeit. Zoals schattingen van industrieel onderzoek aangeven, wordt de wereldwijde markt voor metalen en polymeren additive manufacturing, met een waardering van 7,17 miljard euro in 2020, naar verwachting uitgebreid tot 19,23 miljard euro tegen 2026. Deze groeicurve suggereert een bijna drievoudige toename binnen een periode van zes jaar.
Verschillende sectoren maken gebruik van additive manufacturing om hun productie-doelstellingen te bereiken. Met name geven rapporten aan dat de lucht- en ruimtevaart, turbine- en helikoptersectoren vooroplopen en het grootste aandeel innemen. Dit wordt nauw gevolgd door een aanzienlijke adoptie binnen de medische industrie.
Met de groeiende omvang van de markt en een steeds breder scala aan toepassingen, is additive manufacturing sterk gediversifieerd, zowel in vorm als toepasbaarheid. Een opvallende ontwikkeling binnen dit domein is lasergebaseerde additive manufacturing. In de volgende secties gaan we dieper in op het commerciële potentieel en de belangrijke rol die akoestisch monitoren kan spelen bij de succesvolle toepassing ervan.
Echter, voordat we deze aspecten dieper verkennen, is het belangrijk eerst te begrijpen wat lasergebaseerde additive manufacturing eigenlijk inhoudt.
Wat is lasergebaseerde additive manufacturing?
De MIT Sloan School of Management definieert additive manufacturing als het “proces waarbij een object wordt gecreëerd door het laag voor laag op te bouwen. Het is het tegenovergestelde van subtractieve productie, waarbij een object wordt gemaakt door een massief materiaalblok weg te snijden totdat het eindproduct voltooid is.”
Volgens de definitie kan additive manufacturing elke methode betekenen waarbij een product wordt gecreëerd door iets op te bouwen. In de praktijk verwijst het echter naar driedimensionaal printen.
Als we naar de geschiedenis van 3‑D‑printen kijken, begon het in 1977 toen Wyn Kelly Swainson het gerichte gebruik van een laser op een bak ondergedompeld in vloeibaar plastic patenteerde, waardoor een laag vast plastic aan de bovenkant werd gefuseerd. In 1999 printten onderzoekers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine een blaas, wat de eerste 3‑D‑geprinte orgaan in de menselijke geschiedenis werd. Het eerste functionele 3‑D‑geprinte meubelstuk verscheen in 2005. Een grootschaligere industriële toepassing van 3‑D‑printen was toen Boeing zijn door de FAA goedgekeurde 3‑D‑geprinte titaanonderdelen lanceerde voor de 787 Dreamliner.
Vanaf het prille begin van additive manufacturing zijn lasers een cruciaal onderdeel geweest. Laser Systems Europe, een publicatie uit Cambridgeshire voor integrators en gebruikers van industriële lasersystemen voor materiaalbewerking, definieert laser additive manufacturing als een proces waarbij “een laserstraal wordt gebruikt om opeenvolgende lagen draad of poedermateriaal te fuseren of te smelten tot een 3D‑object.”
De technologie is toepasbaar op een reeks materialen, van hoogsterkte metaallegeringen tot thermoplasten en harsen. Het kan complexe vormen creëren met een aanzienlijk nauwkeurigheidsniveau.
Naarmate de technologie vordert, zullen lasers een cruciale rol spelen in het vormgeven van onze toekomst. De toepassingen zijn overvloedig aanwezig in de gebieden communicatie, defensie, gezondheid, schone energie/kernfusie en meer. Hetzelfde geldt voor lasergebaseerde additive manufacturing, die eveneens diverse toepassingen en vele voordelen heeft.
Typen en voordelen van lasergebaseerde additive manufacturing
Lasergebaseerde additive manufacturing kan verschillende typen hebben, waaronder powder bed fusion, direct energy deposition, material jetting, sheet lamination en stereolithografie.
Een van de meest kenmerkende voordelen is het vermogen om complexe structuren met geoptimaliseerde geometrieën te creëren. Conventionele technieken van additive manufacturing slagen er niet in dit precisieniveau te bereiken.
De precisie die lasergebaseerde additive manufacturing biedt, helpt de behoefte aan nabewerking te verminderen. Het minimaliseert materiaalverspilling en verlaagt het energieverbruik drastisch in vergelijking met traditionele productieprocessen.
Lasergebaseerde additive manufacturing processen zijn eenvoudig te automatiseren en aan te passen aan de exacte behoefte. De precisie en automatiseerbaarheid van de methode maken het een efficiënte oplossing voor snelle prototyping tegen aanzienlijk lagere kosten.
Aangezien lasergebaseerde additive manufacturing geen assemblage vereist, kan het exact volgens de vraag worden geproduceerd, waarbij alleen de benodigde materialen worden gebruikt zonder overtollig afval. Het draagt bovendien bij aan een beter milieu door de CO₂‑voetafdruk van logistiek, transport en afvalbeheer te verminderen.
Toepassingsgebieden van lasergebaseerde additive manufacturing
De toepassing van laser additive manufacturing heeft een brede reikwijdte. In de lucht- en ruimtevaartindustrie is het bijvoorbeeld essentieel voor het creëren van onderdelen die zowel hoog presteren als lichtgewicht zijn. De voordelen van deze technologie reiken ook tot de automobielindustrie, waar het wordt gebruikt voor het produceren van essentiële componenten voor motoren, transmissies, uitlaatsystemen en remmen.
Daarnaast speelt laser additive manufacturing een belangrijke rol in de gezondheidszorg, met name bij het vervaardigen van patiënt‑specifieke complexe ontwerpen. Dit omvat een reeks prothese‑oplossingen zoals heup‑ en knie‑implantaten en tandheelkundige implantaten.
Op het gebied van elektronica wordt de precisie van laser additive manufacturing benut om hoogprecisie‑PCB’s te maken. Deze precisie maakt de productie van elektronische producten met fijnere kenmerken mogelijk, waaronder antennes, sensoren en transistors.
Het potentieel van de technologie blijkt ook uit de toepassing in de productie van micro‑elektromechanische systemen (MEMS). Hier maakt het de vervaardiging van ingewikkelde componenten zoals versnellingsmeters en gyroscopen mogelijk.
In de energiesector is laser additive manufacturing nuttig voor de reparatie van gas‑ en windturbine‑onderdelen. Het speelt ook een cruciale rol bij de productie van componenten zoals impellers, kleppen en warmtewisselaars. Ondanks het veelzijdige gebruikspotentieel is laser additive manufacturing echter nog niet voldoende gecommercialiseerd.
Laser additive manufacturing: gebrek aan commercialisering
Een studie uit 2016 onderzocht de empirische analyse van de commercialiseringsniveaus van laser additive manufacturing. Deze analyse schatte de omvang van de wereldwijde industriële lasermarkt, inclusief alle laserbronnen, op ongeveer US$3,3 miljard. Binnen deze uitgestrekte markt vertegenwoordigden additive laserbronnen slechts een deel van US$100 miljoen. Percentage‑gewijs vormden laserbronnen slechts 3 % van de totale marktwaarde.
De cijfers kunnen ook worden bevestigd door kwalitatieve informatie van industriële bronnen. Bijvoorbeeld, in de lucht- en ruimtevaartindustrie hield de regelgevende omgeving het gebruik van laser additive manufacturing grotendeels beperkt tot prototyping en kon het niet worden ingezet in commerciële vliegtuigen. Evenzo is het gecertificeerde gebruik van laser additive manufacturing‑onderdelen in de automobielindustrie pas recentelijk begonnen.
De verwachte groei van laser additive manufacturing zal daarom afhankelijk zijn van het vinden van toepassingen in grote productie‑industrieën. Bovendien moet het worden gestimuleerd door innovaties die het potentieel duidelijker naar voren brengen dan voorheen.
Akoestisch monitoren: een game‑changer voor laser additive manufacturing
Een belangrijke reden waarom lasergebaseerde additive manufacturing niet de verwachte impuls heeft gekregen, is de uitdaging van onverwachte defecten. Deze defecten zijn vaak niet detecteerbaar met traditionele methoden, zoals thermische beeldvorming en machine‑learning‑algoritmen.
Daarom is het vermogen om defecten efficiënt in realtime te detecteren cruciaal. Deze mogelijkheid kan laser additive manufacturing aanzienlijk helpen om zijn ware commerciële potentieel te realiseren.
Kort samengevat werkt de akoestische monitoring voor het detecteren van defecten in laser additive manufacturing als een realtime‑oplossing die gebaseerd is op het verschil in geluid dat de printer maakt tijdens een perfecte print versus een print met fouten en onregelmatigheden.
Terwijl hij sprak over de relevantie van akoestisch monitoren als middel om defecten in laser additive manufacturing te detecteren, zei professor Roland Loge, hoofd van het Laboratorium Thermomechanische Metallurgie van de School of Engineering van de EPFL:
“Ons onderzoek bevestigt niet alleen de relevantie, maar onderstreept ook het voordeel ten opzichte van traditionele methoden.”
Het proces is kosteneffectief, vooral wat betreft de kwaliteitsverbetering van producten die via Laser Powder Bed Fusion (LPBF) worden vervaardigd. In het Laser Powder Bed Fusion‑proces wordt een laag poeder over een bouwplatform verspreid. Vervolgens wordt de laserstraal gebruikt om het poeder selectief te smelten op specifieke gebieden. Nadat de fusie voltooid is en een solide object ontstaat, wordt opnieuw een nieuwe poederlaag bovenop gelegd om het proces te herhalen. Deze laag‑voor‑laag herhaling gaat door tot het eindproduct is bereikt.
Klik hier voor de lijst van top additive manufacturing en 3D‑print aandelen.
De technologie van defectdetectie via akoestisch monitoren
Het EPFL‑team heeft het ontwerp ontwikkeld in samenwerking met het Paul Scherrer Institute (PSI) en de Zwitserse Federale Laboratoria voor Materiaalkunde en Technologie (Empa).
Om hun doel te bereiken, plaatste het team ultrasensitieve microfoons in de printkamer. Deze microfoons hielpen bij het vaststellen van duidelijke verschuivingen in het akoestische signaal tijdens regime‑veranderingen en uiteindelijk bij het identificeren van productiedefecten.
Het onderzoek leverde waarde voor het vakgebied van laser additive manufacturing, aangezien onderzoekers geloven dat hun bevindingen een aanzienlijke impact zullen hebben op de industriële toepassingen van laser additive manufacturing, waaronder de lucht‑ en ruimtevaart en precisieproductie.
Met het oog op de bredere implicaties bieden veel bedrijven die actief zijn in laser additive manufacturing een verscheidenheid aan producten en oplossingen. Deze bedrijven staan nu klaar om de studie verder te verkennen en de voordelen in hun processen te integreren. In de volgende segmenten bekijken we enkele van deze innovatieve en toonaangevende spelers op het gebied van laser additive manufacturing.
Topbedrijven die lasergebaseerde additive manufacturing commercialiseren
#1. IPG Photonics Corporation
Twee van de laser additive manufacturing‑processen maken gebruik van IPG‑lasers: LMD (Laser Metal Deposition) en SLM (Selective Laser Melting). Terwijl SLM essentieel is voor het produceren van volledig dichte metalen onderdelen met verbeterde mechanische eigenschappen, gebruikt het LMD‑proces een nozzle om poeder coaxiaal in de gefocuste laserstraal te voeren, waardoor volledig dichte functionele metalen componenten worden vervaardigd.
Bij het verbeteren van deze processen spelen IPG‑vezellasers een cruciale rol. Ze zijn essentieel voor het ontwikkelen van systemen en processen die snellere poederopbouw of -depositiesnelheden bereiken, vooral op vermogensniveaus van meerdere kilowatt.
Het scala aan materialen dat compatibel is met het laser additive manufacturing‑proces van IPG is bijzonder divers, waaronder, maar niet beperkt tot:
- Polymers
- CoCr
- Aluminum
- Ti alloys
- Stainless steel
- Tool steels
IPGP Prijsgrafiek
Ter illustratie van het succes van deze technologische vooruitgang rapporteerde IPG Photonics Corporation (IPGP ) sterke financiële resultaten voor het jaar eindigend op 31 december 2022. Het bedrijf noteerde een omzet van meer dan US$1,4 miljard, met een nettowinst per gewone aandeel (basis) van US$2,17 die aan IPG Photonics Corporation kan worden toegerekend.
#2. Laser Melting Innovations (LMI)
Een innovatieve leverancier van laser additive manufacturing‑oplossingen, LMI, werkt met de visie om de technologie toegankelijk te maken voor bedrijven van alle soorten en groottes.
Het vlaggenschipproduct, de Alpha 140, maakt gebruik van een luchtgekoelde vezellaser met 200 W vermogen, geschikt voor de verwerking van roestvrij staal, nikkel‑legeringen, gereedschapsstaal‑legeringen en aluminium‑legeringen. De focusdiameter van 140 µm helpt bij het produceren van precieze uitgangen met fijne details en dunne wanden. Het spindel‑aangedreven as‑systeem zorgt voor een hoge positionerings‑ en herhaal‑nauwkeurigheid.
De afmetingen van het systeem van 1,75 m × 0,95 m zorgen voor ruimte‑efficiëntie in zowel industriële omgevingen als onderzoekslaboratoria. Componenten die door de Alpha 140 worden geproduceerd, zijn vergelijkbaar met die van conventionele LPBF‑machines wat betreft sterkte en dichtheid.
LMI werd opgericht in 1996 en sloot in 2020 een samenwerking met Kurtz Ersa, een machinebouwer die ook additive manufacturing‑oplossingen biedt aan sectoren zoals de automobielindustrie, de medische sector en de lucht‑ en ruimtevaart, om de Alpha 140 via het wereldwijde distributienetwerk van Kurtz Ersa met 24‑uur service op de markt te brengen.
#3. Prima Additive
Prima Additive, een divisie van Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa, biedt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of Selective Laser Melting‑oplossingen die de thermische energie van de laser benutten om een deel van een object te fuseren met een laag metaalpoeder.
De Prima Additive‑lasersystemen blijken effectief bij het realiseren van complexe geometrieën, kleine batchproductiesystemen en prototypes. Het biedt in totaal vijf oplossingen.
De Print Sharp 150 is effectief in R&D‑toepassingen voor het verwerken van diverse materialen, zoals staal, aluminium, nikkel, titanium en kobalt‑chroomlegeringen.
Een ander model, de Print Genius 150, onderscheidt zich door de veelzijdigheid van zijn multi‑laser‑technologie. Daarentegen maakt de Print Green 150‑variant gebruik van een groene laser, die bijzonder geschikt is voor de verwerking van zuiver koper, koper‑legeringen en sterk reflecterende materialen.
Voor grootschalige operaties past de 300 Family‑oplossing perfect. Deze is ontworpen voor scenario’s met hoge productiviteit en ideaal voor de productie van middelgrote en grote componenten.
Ten slotte biedt de Print Genius 400 een sterk geautomatiseerde optie voor het produceren van grote componenten tot 1 meter hoog.
Financieel gezien noteerde Prima Industries Spa, het moederbedrijf van Prima Additives, een nettowinst van meer dan 327 miljoen euro voor de negen maanden eindigend op 30 september 2022. Dit was een aanzienlijke stijging ten opzichte van de omzet van meer dan 281 miljoen euro die werd geregistreerd voor de negen maanden eindigend op 30 september 2021.
De toekomst van laser additive manufacturing met akoestisch monitoren en meer
Met voortdurende innovaties is het slechts een kwestie van tijd voordat laser additive manufacturing zijn ware commerciële potentieel bereikt. In de tussentijd treedt akoestisch monitoren op als een cruciaal instrument. Deze technologie zal bijdragen aan een meer consistente productie‑techniek. Door defecten vroegtijdig te detecteren en hun correctie te faciliteren, staat het klaar om de productkwaliteit op korte termijn aanzienlijk te verbeteren.
