Additieve productie
Laserpoederbedfusie is net aantrekkelijker geworden met deze nieuwste doorbraak
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Welke technologie zal 3D-printen domineren?
Aangezien 3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, steeds meer een sleutelcomponent van geavanceerde productie wordt, is het belangrijk het proces verder te optimaliseren. Dit komt doordat 3D-geprinte onderdelen en componenten meestal worden gebruikt in zeer veeleisende toepassingen, zoals automobielmotoren, raketten, militaire uitrusting, enz. In deze omstandigheden kan een falen van één component een catastrofaal domino-effect veroorzaken.
Dit is iets dat cruciaal zal zijn om de industrie in staat te stellen van de huidige consolidatie om het dominante productieproces te worden ten opzichte van oudere methoden die metaal in gietvormen smelten en bewerken.
Een specifieke 3D-printtechniek wordt gebruikt voor precisieproductie: laserpoederbedfusie.
Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison en het Argonne National Laboratory hebben recentelijk het proces geanalyseerd met geavanceerde röntgenbeeldvorming en denken dat ze de tijdens de productie optredende defecten drastisch kunnen verminderen. Ze publiceerden hun bevindingen in het International Journal of Machine Tools and Manufacture, onder de titel “Mechanismen onthullen van het mitigeren van verwerkingsdefecten in laserpoederbedfusie via gevormde stralen met behulp van hogesnelheids‑röntgenbeeldvorming1”.
Laserpoederbedfusie
De manier waarop poederbed‑3D‑printen werkt, is dat een laag poeder met het materiaal dat voor de additive manufacturing wordt gebruikt, in een container wordt neergelegd. Een laser smelt/versmelt vervolgens het poeder in het gebied dat het 3D‑geprinte onderdeel zal vormen.
Een nieuwe laag poeder wordt vervolgens bovenop neergelegd, en de delen die moeten worden gesmolten en aan het onderdeel moeten worden toegevoegd, worden opnieuw door de laser gericht. Na voldoende tijd kunnen zeer complexe vormen worden geproduceerd, evenals relatief grote onderdelen.
Bron: ResearchGate
U kunt laserpoederbedfusie in actie zien in deze video, evenals enkele voorbeelden van wat er met deze techniek kan worden gemaakt.
Laserpoederbedfusie kan worden gebruikt om onderdelen van kunststof te produceren, maar nog belangrijker, ook van metalen, waaronder titanium, staal, kobalt‑chroom, aluminium, enz.
Het voordeel van deze methode is dat ze zeer precieze geometrie creëert, met toleranties van +/- 0,2 mm, vergelijkbaar met metaalinjectiegieten. Bovendien wordt er zeer weinig materiaal verspild, aangezien het ongebruikte poeder kan worden teruggehaald en hergebruikt.
Grotere onderdelen kunnen snel worden geprint door meerdere lasers tegelijk te gebruiken, meestal in meer geavanceerde 3D‑printerontwerpen.
Het moet worden opgemerkt dat laserpoederbedfusie een overkoepelende term is die verschillende sub‑technieken omvat:
- Selective Laser Melting (SLM) en Direct Metal Laser Sintering (DMLS), beide merkgebonden processen die een lasersysteem gebruiken om metaalpoeder volledig te smelten.
- Electron Beam Melting (EBM), vergelijkbaar met SLM maar met een elektronenbundel in een inert gas of vacuümkamer.
- Selective Laser Sintering (SLS), waarbij poeder van polymeer wordt gebruikt; de laser sintert de deeltjes alleen samen en smelt het materiaal niet volledig.
Voorkomen van 3D-printfouten
In theorie is additive manufacturing van metalen onderdelen gelijk aan traditionele gegoten onderdelen. In de praktijk kunnen er problemen optreden, zoals poriën of “holtes”, ruwe oppervlakken en grote spatten.
Dergelijke structurele problemen kunnen ertoe leiden dat de onderdelen breken, wat onaanvaardbaar is in kritieke toepassingen.
“Omdat we de onderliggende mechanismen begrepen, konden we sneller de juiste verwerkingscondities identificeren om hoogwaardige onderdelen te produceren met behulp van de ringvormige straal.”
Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering aan de UW-Madison
Ringvormige laserstraal
De eerste wijziging die de onderzoekers aan hun 3D‑printontwerp aanbracht, was het vervangen van de gebruikelijke laserstraal door een ringvormige laserstraal, geleverd door een laserbedrijf genaamd nLight, waarmee halfgeleiderlasers worden gecreëerd.
Deze andere vorm zorgt voor een betere circulatie van het gesmolten metaal in het smeltbad en kleinere golven op het oppervlak van het pas gemaakte onderdeel. De spatten zijn ook minder groot en reizen minder ver.
Model en observaties overeenstemmen
De onderzoekers bevestigden deze observaties door gebruik te maken van de high‑energy synchrotron‑X‑ray faciliteit van het Argonne National Laboratory. Ze gebruikten deze om hogesnelheids‑snapshots van het 3D‑printproces te maken, waardoor de onderzoekers konden controleren of hun wiskundige model de realiteit correct simuleerde.
Sneller 3D-printen
De onderzoekers slaagden er ook in om de ringvormige straal dieper in het poeder te laten boren zonder meer instabiliteit te veroorzaken. Dit resulteerde in dikkere lagen zonder het eindproduct te verzwakken.
Aangezien de productie uiteindelijk minder lagen vereist, versnelt dit de productie en verhoogt de algehele productiviteit van de machine.
Voorbeeld van poederbedfusie
Dit type werk is verre van een louter academische demonstratie. Het zou de poederbedfusie‑machines die al in de industrie worden gebruikt, kunnen verbeteren. Een goed voorbeeld is in de luchtvaart, met de brandstofnozzle van General Electric’s (GE.TO ) GE9X‑motor, die wordt gebruikt op Boeing 777‑vliegtuigen.
De GE9X is de grootste geproduceerde turbofan‑motor, en de additief vervaardigde nozzle is vijf keer duurzamer dan eerdere versies.
Het moet worden opgemerkt dat dergelijke ontwikkelingen nog zeer recent zijn, met het GE9X‑ontwerp dat pas in 2020 door de FAA is goedgekeurd.
Zelfs een hoger kwaliteit poederbedfusie‑proces, evenals een sneller proces, zou het ontwerp verder kunnen verbeteren en tegelijkertijd de kosten verlagen.
De toekomst van 3D-printen?
Op weg naar dominantie in geavanceerde productie
We hebben eerder besproken hoe 3D-printen zich consolideert tot de toekomst van productie.
Dit geldt voor geavanceerde productie zoals biomedische implantaten of luchtvaart. Naarmate de kwaliteit van additief vervaardigde onderdelen verbetert, zal dit waarschijnlijk de dominante productiemethode worden in zulke veeleisende sectoren.
Dit zal waarschijnlijk ook gelden voor robotica, productie in een baan om de aarde, of zelfs holografisch 3D-printen direct in ons lichaam.
Op weg naar meer toepassingen
Een andere verandering zal optreden wanneer 3D-printen goedkoper wordt.
Dit zal deels te wijten zijn aan simpelweg meer gebruik, aangezien meer geproduceerde 3D‑printers schaalvoordelen zullen opleveren en de kosten van de machine en hun grondstof zullen verlagen.
Een andere factor zullen verbeteringen van de technologie zijn. Deze kan het gebruik van grondstof optimaliseren (operationele kosten verlagen) of onderdelen sneller produceren (kapitaalkosten verlagen).
Dit zou dikkere lagen met ringvormige lasers kunnen omvatten, zoals in deze studie. Of misschien het gebruik van 2 lasers tegelijk. En zelfs 3D-geprinte elektronica toevoegen aan de 3D-geprinte materialen en onderdelen.
Investeren in 3D-printen
3D-printen bereikt nu technologische volwassenheid, evenals marktconsolidatie. Dit geeft investeerders iets meer zichtbaarheid dan in het verleden en bevestigt dat deze technologie verre van een hype is, maar hier blijft.
U kunt investeren in bedrijven gerelateerd aan 3D-printen via vele brokers, en u kunt op deze website onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.
Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke 3D‑printbedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) om te profiteren van de groei van de additive manufacturing‑sector als geheel.
Of raadpleeg onze artikelen “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch“, en “Top 10 Nanotechnology Stocks“.
Ringvormige Laserbedrijf
LASR Prijsgrafiek
Tot nu toe zijn de winnaars in de 3D‑printtechnologie voornamelijk de fabrikanten van 3D‑printers en eindgebruikers geweest. De makers van individuele onderdelen van de 3D‑printers zijn moeilijker te investeren, omdat de meeste afhankelijk zijn van relatief gecommercialiseerde componenten zoals gestandaardiseerde lasers.
Dit is niet het geval bij de hier besproken innovatie, waarbij ringvormige lasers een nieuwe ontwikkeling zijn die mogelijk een doorslaggevende toepassing hebben gevonden.
De onderzoekers gebruikten een laser geproduceerd door nLight, meer precies de continue‑wave (CW) AFX1000 vezellaser.
Het veelzijdige palet aan straalinstellingen maakt de verwerking van alle metalen mogelijk zonder compromissen. Bij het snijden bieden deze vezellasers CO2‑achtige randkwaliteit voor dik metaal en de snelheidsvoordelen van vezellasers voor dun metaal — allemaal met de betrouwbaarheid en lage eigendomskosten van vezellasers.
Deze laser kan de vorm van de ring aanpassen om meer of minder fijne 3D‑print en complexe geometrieën te realiseren.
Bron: Trokut Solutions
Het bedrijf zag zijn omzet van 2016‑2021 gestaag groeien, om vervolgens te lijden onder een daling die grotendeels werd veroorzaakt door afnemende verkopen in China. Dit was waarschijnlijk verband houdend met de groeiende handelsspanningen tussen China en het Westen, en concurrentie van Chinese binnenlandse laserproducenten.
Aangezien momenteel 95 % van de klanten buiten China zit, is het onwaarschijnlijk dat dit het bedrijf in de toekomst zal blijven beïnvloeden.
Bron: nLight
De gemengde resultaten weerspiegelen deze verschuiving, met industriële verkopen die in 2024 sterk afnamen, terwijl de segmenten microfabricage en lucht- en ruimtevaart een opleving zagen.
Bron: Trokut Solutions
De recente daling in de verkoop heeft ertoe geleid dat de operationele cashflow in 2024 weer in negatieve cijfers is gezakt. Echter, als de groeitrend van de lucht‑ en ruimtevaart en microfabricage/3D‑printen aanhoudt, ondersteund door de algemene groei van deze sectoren en nLight’s unieke technologische voordeel, zou nLight weer winstgevend moeten worden.
Studieverwijzing:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Mechanismen onthullen van het mitigeren van verwerkingsdefecten in laserpoederbedfusie via gevormde stralen met behulp van hogesnelheids‑röntgenbeeldvorming. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
