Overslaan en naar de inhoud gaan

Quality for AM

Grenzeloze vormvrijheid, personaliseerbaarheid, materiaalefficiëntie, lichtere onderdelen, ... het zijn maar enkele van de voordelen van additive manufacturing (AM) of 3D-printen. Om in productie succesvol over te schakelen naar AM, is echter meer nodig dan een 3D-printer. Aandachtspunten zijn het ontwerp, dat vaak een totaal andere aanpak én mindset van de ontwerper vraagt, en de eindkwaliteit van de geprinte onderdelen. Kwaliteitszekerheid is enkel mogelijk mits strikte controle en opvolging van het proces, alsook de grondstoffen doorheen het volledige productieproces. Sirris investeert daarom voortdurend in zijn AM-infrastructuur en kennis via verschillende onderzoeksprojecten, om zo zijn expertise en dienstverlening rond AM up-to-date te houden en uit te breiden.

Verwerking van smeltbadmonitoringdata voor kwaliteitscontrole

De ontwikkeling van onderdelen met de additive-manufacturing-technologie SLM (selective laser melting), in het bijzonder voor de luchtvaartindustrie, vereist een goede kwaliteitsopvolging doorheen het gehele productieproces. Binnen het Enable-project werkt Sirris aan het gebruik van in-situ monitoringsystemen om printdefecten makkelijker op te sporen via niet destructieve controles. Hiervoor werden onze machines gebruikt die uitgerust zijn met een systeem voor smeltbadmonitoring (melt pool monitoring) en camera om de productieomstandigheden te registreren. Door de enorme hoeveelheid aan data die vergaard wordt tijdens de monitoring is het echter zeer moeilijk om deze te verwerken en hieruit de printdefecten te identificeren. 

Nieuwe ontwikkeling in verwerking van monitoringdata SLM-smeltbad

Het onderzoek heeft als doel het controleren en verwerken van in-situ data die verkregen wordt tijdens drie verschillende stappen: voor, tijdens en na het smelten van het poeder met de laser. De beelden van voor en na de blootstelling leggen kritische informatie vast over het spreiden van de poederlaag en de kwaliteit van de geprinte laag. Beide beelden werden behandeld om anomalieën te detecteren. Tegelijk werd de monitoringdata van het smeltbad geanalyseerd door gebruik te maken van algoritmen voor machine learning. Ten slotte werd een onderdeel  vervaardigd als benchmark, om de nauwkeurigheid van de voorgestelde algoritmen te controleren.

Binnen het project werd er in geslaagd om op een succesvolle manier de anomalieën te voorspellen en er werd een correlatie gevonden tussen defectdetectie via de drie geanalyseerde datatypes. 

Het uiteindelijke doel van het onderzoek is een vermindering in het gebruik van niet-destructief testen om printdefecten te detecteren en een verbetering in het lokaliseren van defecten via een smeltbadmonitoringsysteem. Dankzij dit soort onderzoeksprojecten kan Sirris haar competenties verder verbeteren om zo de industrie beter te begeleiden bij het verwerven van inzichten in additive-manufacturing-processen.

Het Enable-project krijgt steun uit het Europese fonds Marie Curie (ITN) H2020-MSCA-ITN-2017 (N°764979).

Restspanningsmeting om kwaliteit van onderdelen te verbeteren

In additive manufacturing (3D-printen) zorgt de snelle afkoeling van gesmolten metaal voor de introductie van restspanningen. Deze spanningen zijn afhankelijk van de procesparameters, het ontwerp van het onderdeel, metallurgische effecten, ... Ze kunnen aanleiding geven tot ongewenste vervormingen of scheurvorming tijdens nabewerking, warmtebehandeling of zelfs in de gebruiksfase, en hebben met name een grote impact op de vermoeiingsweerstand van het metaal.

Sirris heeft in 2020 een nieuw X-stralen-diffractiesysteem aangekocht in het kader van het EFRO-project IAWATHA. Met dit toestel is het mogelijk om interne spanningen in metalen onderdelen op te meten, op een niet-destructieve manier. Door het selectief verwijderen van materiaal via elektrolytisch polijsten is het eveneens mogelijk om diepteprofielen op te meten (van 20 µm tot 1,5 mm). Het opmeten van een diepteprofiel is wel een destructief onderzoek, afhankelijk van de gewenste diepte. Dit systeem biedt een krachtig instrument voor zowel kwaliteitscontrole als onderzoek. Het vermogen om de lokale spanningstoestand te karakteriseren is zeer nuttig bij het verbeteren van procescondities.

Uniek in België

Een belangrijk voordeel van dit systeem is dat het toestel mobiel is, wat het uniek in België maakt. Hierdoor kunnen op locatie metingen worden uitgevoerd van onderdelen van een willekeurig formaat, en niet enkel op testcoupons of stukken gesneden uit een groter onderdeel. Dit biedt een groot voordeel voor grote stukken geprint met technieken zoals wire arc additive manufacturing (WAAM) of laser metal deposition (LMD). Voor kleine stukken met een complexe vorm geeft de flexibiliteit van het toestel meer mogelijkheden om spanningen te meten in moeilijker toegankelijke zones te meten.
 
Dit nieuwe toestel laat Sirris toe om de service naar de Belgische industrie verder uit te breiden. Bovendien zal het ook belangrijke inzichten bieden voor de verdere ontwikkeling van modelleersoftware voor 3D-printen.

Free-form onderdelen uit hybride materialen printen met behulp van cobot

Een kleinere CO2-voetafdruk in materialen is een algemene bekommernis en hybride structuren uit metaal-polymeer en composiet-polymeer vormen hier een belangrijk onderdeel. Ongeacht hun toepassingsdomein, de industrie zoekt naar efficiëntere productiemethoden, lagere kosten door kortere doorlooptijden en het toevoegen van complexiteit en functionaliteit aan standaard onderdelen, wat niet bereikt kan worden met klassieke productieprocessen, zoals spuitgieten. De experts van Sirris verdiepen zich al enige tijd in het goedkoper, duurzamer en toegankelijker maken van hybride structuren voor de industrie. In dit kader kocht de Product Development Hub een Stäubli Power Cobot aan. Gezien onze ervaring in de extrusie van exotische thermoplasten is ons doel het uitrusten van de arm met een pelletextrusiekop die ons zou toelaten structuren te creëren met de bewegingsvrijheid die een zesassige industriële robot kan geven.

De technologische mogelijkheden zijn legio, maar onze prioriteit was in de eerste plaats het toevoegen van functionaliteit via extrusie op een bestaand onderdeel en het laten aansluiten van nieuwe onderdelen op een groot bestaand substraat (uit metaal of composiet) dat niet zou kunnen geproduceerd worden via overmoulding.

Experimenten met materiaalverbindingen

Een pelletextrusiekop laat een grotere flexibiliteit van materialen toe voor het extrusieprocedé. De Sirris-experts voerden experimenten uit met verschillende materialen om zo de grenzen van het procedé te ontdekken. Ze ontwikkelden de parameters voor enkele thermoplasten en elastomeren, en zijn in staat zeer snel over te schakelen op een verschillend materiaal. Ten slotte werd er werk gemaakt van de toepassingen met free-form-printing bij de creatie van hybride onderdelen op composiet- en metaalsubstraten. Er zijn heel wat uitdagingen verbonden aan het maken van een stevige verbinding tussen substraat en geprint stuk. We kijken naar oplossingen op maat, om bij het printen te vertrekken van niet-vlakke oppervlakken en het printen van niet-vlakke geometrieën. Zeer complexe vormen langs binnen- en buitenzijde van componenten zijn al mogelijk.

De belangrijkste toepassingsgebieden voor deze technologie zijn de automotive en luchtvaart, waar composieten een steeds belangrijkere rol krijgen. Door de onderdelen goedkoper, sterker en lichter te maken dragen we bij tot een hogere efficiëntie in brandstofverbruik.