Brons en koperlegeringen kunnen op grote schaal worden 3D-geprint met behulp van Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Door geautomatiseerde meerassige industriële robotica te combineren met booglassen maakt deze technologie het mogelijk om zware, bijna-net-vormige onderdelen van koperlegeringen met een lengte van meerdere meters continu aan te brengen. Deze methode omzeilt de ruimtelijke en gereedschapsbeperkingen van traditionele productie, waardoor de scheepvaart-, offshore- en architectuursectoren op aanvraag dichte, hoogwaardige constructieonderdelen kunnen produceren.
Het toepassingsgebied van deze technologie is specifiek gericht op lasbare koperlegeringen. Wij zijn gespecialiseerd in het printen van een welbepaald assortiment hoogsterke, corrosiebestendige legeringen, waaronder tinbrons (CuSn6), siliciumbrons (CuSi3), aluminiumbrons (CuAl8), nikkel-aluminiumbrons (CuAl8Ni6) en cupronikkel (CuNi 70/30). Het is van cruciaal belang om vast te stellen dat dit proces is ontworpen voor grootschalige constructieve, maritieme en decoratieve toepassingen, en niet zozeer voor zuivere elektrische of thermische geleidbaarheid.
Koperlegeringen versus zuiver koper: inzicht in de technische toepassingsmogelijkheden
Een veelvoorkomend punt van verwarring voor technische teams die zich verdiepen in additive manufacturing met koper, is het onderscheid tussen zuiver koper en koperlegeringen. Zuiver elektrolytisch koper is vooral gewild vanwege zijn uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid en thermische prestaties, bijvoorbeeld in elektrische stroomrails, inductiespoelen of zeer efficiënte warmtewisselaars. Voor het effectief printen van zuiver koper zijn echter poederbedfusie- of bindermatrijstechnieken nodig, waarbij gebruik wordt gemaakt van gespecialiseerde groene lasers of elektronenbundels. Deze technieken zijn fysiek beperkt tot kleine bouwkamers en microscopisch kleine afzettingssnelheden.
Daarentegen maakt grootschalige WAAM met koperlegeringen gebruik van robuuste, lasbare legeringsdraden als grondstof. Aangezien zuiver koper een groot deel van de laserenergie weerkaatst en snel warmte afvoert, is het niet geschikt voor boogafzetting bij hoge snelheid. Door gebruik te maken van vooraf gelegeerde draden zorgt het WAAM-proces voor een stabiele elektrische boog en aanhoudende massa-opbouwtarieven.
Voor inkoop- en ontwerpteams betekent dit een fundamentele verschuiving in de afstemming van applicaties:
- Kies voor poederbed / puur koper wanneer de belangrijkste technische vereiste maximale elektrische geleidbaarheid of uiterst nauwkeurige interne warmteafvoerpaden is (met een totale afmeting van minder dan 300 millimeter).
- Kies voor WAAM / Koperlegeringen wanneer de belangrijkste eisen betrekking hebben op structurele vloeigrens, uitzonderlijke corrosiebestendigheid in zeewater, cavitatiebestendigheid, of de behoefte aan grootschalige architectonische en artistieke vormen met een overspanning van meerdere meters.
Door te kiezen voor de koperlegering WAAM profiteren ingenieurs van een zeer gunstige kostenstructuur voor grote onderdelen die in kleine tot middelgrote series worden geproduceerd, zonder dat daarvoor enorme kapitaaluitgaven voor op maat gemaakte gieterijgereedschappen nodig zijn.
MX3D-prints van brons en koperlegeringen
Het onderstaande assortiment van goedgekeurde materialen vertegenwoordigt het open materiaalecosysteem dat beschikbaar is voor robotgestuurde afzetting van zware formaten. Elke legering is geselecteerd om specifieke structurele, milieutechnische of esthetische uitdagingen op te lossen.
CuSn6 (tinbrons)
CuSn6 is een klassieke tin-bronslegering die wordt gekenmerkt door een goede slijtvastheid, een solide mechanische sterkte en uitstekende wrijvingsremmende eigenschappen. In de industrie wordt het op grote schaal gebruikt voor algemene lagerbussen, slijtplaten en lagedrukvloeistofkoppelingen. Dankzij de soepele lasbadkarakteristieken bij robotgestuurd lassen is het ook zeer geschikt voor hoogwaardige decoratieve of sculpturale constructies.
CuSi3 (siliciumbrons)
Siliciumbrons is een buitengewoon goed lasbare koperlegering die bekend staat om zijn gemakkelijke verwerkbaarheid en lage warmtegeleiding in vergelijking met andere kopervarianten. Het biedt een hoge corrosiebestendigheid in bouwkundige omgevingen, zoet water en organische zuren. CuSi3 wordt vaak voorgeschreven voor scheepsbeslag, vaten voor chemische verwerking en architecturale panelen met vrije vormen, waarbij structurele integriteit moet samengaan met strakke esthetische lijnen.
CuAl8 (aluminiumbrons)
CuAl8 is een eenfasig aluminiumbrons dat een uitstekende weerstand biedt tegen zowel chemische corrosie als mechanische slijtage. Door de toevoeging van aluminium ontstaat er een zelfherstellende, taaie oxidehuid die het onderliggende metaal beschermt tegen agressieve oxidatie. Het wordt op grote schaal gebruikt voor industriële klephuizen, pomponderdelen en zwaar belaste scheepsbeslagdelen die worden blootgesteld aan schurende omgevingen.
CuAl8Ni6 (nikkel-aluminiumbrons / NAB)
Nikkel-aluminiumbrons (vaak ingedeeld in de C95800-serie) is een hoogwaardige, zeer sterke legering die speciaal is ontwikkeld voor extreme maritieme omgevingen. Door de toevoeging van nikkel en ijzer ontstaat een buitengewoon dichte microstructuur die bestand is tegen schokbelastingen, ernstige cavitatie en erosie door vloeistoffen met hoge snelheid. Dit is dé legering bij uitstek voor scheepsschroeven, impellers voor zwaar gebruik en onderzeese kleppenblokken.
CuNi 70/30 (koper-nikkel)
CuNi 70/30 (wat overeenkomt met de aanduiding C71500) biedt een uitstekende weerstand tegen plaatselijke putcorrosie, spanningscorrosiescheuren en algemene aantasting in chloorhoudend zeewater. Naast zijn superieure corrosiewaarden bezit cupronikkel een natuurlijke weerstand tegen macro- en biofouling, waardoor wordt voorkomen dat mariene organismen zich aan het oppervlak hechten. Het wordt voornamelijk gespecificeerd voor offshore-leidingsystemen, onderzeese onderdelen in de buurt van warmtewisselaars en koelwatercircuits.
Mechanische eigenschappen en corrosiegedrag
Om zware gietstukken op betrouwbare wijze te kunnen vervangen, moeten 3D-geprinte legeringen voldoen aan de gangbare metallurgische normen of deze zelfs overtreffen. Met WAAM-technologie aangebrachte koperlegeringen leveren volledig dichte microstructuren op met mechanische eigenschappen die gunstig afsteken tegen die van traditionele zandgietstukken, zonder het risico op interne gasporositeit of zandinsluitingen die veel voorkomen in gieterijen.
Referentiewaarden voor mechanische eigenschappen
In de onderstaande tabel worden de representatieve technische profielen weergegeven die zijn verkregen door middel van gecontroleerde robotgestuurde boogafzetting:
| Materiaalkwaliteit | Treksterkte (UTS) | 0,2% opbrengststerkte | Rek (%) | Hardheid (HB) | Belangrijkste voordeel |
| CuSn6 | 350 MPa | 150 MPa | 40% | 80 HB | Wrijvings- en slijtvastheid |
| CuSi3 | 350 MPa | 150 MPa | 40% | 90 HB | Hoge lasbaarheid en structurele integriteit |
| CuAl₈ | 420 MPa | 170 MPa | 40% | 130 HB | Hoge oxidatie- en chemische bestendigheid |
| CuAl₈Ni₆ (NAB) | 635 MPa | 315 MPa | 47% | 180 HB | Extreme cavitatie- en schokbestendigheid |
| CuNi 70/30 | 360 MPa | 160 MPa | 30% | 100 HB | Uitstekende weerstand tegen biofouling en zeewater |
Corrosie- en cavitatiegedrag in zeewater
Bij kritische maritieme toepassingen wordt de lange levensduur van CuAl8Ni6 (NAB) en CuNi 70/30 bepaald door hun dynamische oppervlaktechemie. In omstandigheden met vloeistoffen die met hoge snelheid stromen, zoals rond een draaiende bootschroef, hebben standaardmetalen last van cavitatie, een verschijnsel waarbij vacuümbellen tegen het metaal instorten en daarbij materiaal wegscheuren.
Het WAAM-proces van MX3D op basis van nikkel-aluminiumbrons vormt een uiterst stabiele, nikkelrijke beschermlaag van aluminiumoxide die energie van cavitatiebellen absorbeert. Ook geeft cupronikkel op een zeer gecontroleerde manier microscopisch kleine koperionen af, waardoor een permanente bescherming tegen biofouling wordt geboden die de groei van zeepokken voorkomt en voor een optimaal hydrodynamisch profiel zorgt.
Industriële toepassingen
Door de productie van koperlegeringen los te koppelen van vaste machineframes, biedt WAAM een oplossing voor knelpunten in de toeleveringsketen binnen twee belangrijke sectoren met hoge toegevoegde waarde en voor energietoepassingen zoals koelpompen en andere onderdelen die in contact komen met zoet- of zoutwater.
Maritieme en offshore-infrastructuur
De maritieme sector kampt met aanzienlijke financiële risico’s als gevolg van de lange doorlooptijden bij de inkoop van gegoten koperlegeringen. Het ontwerpen, gieten en vervaardigen van standaard bronzen schroeven of kopernikkel-verdeelstukken kan bij een conventionele gieterij tot wel zes maanden in beslag nemen. WAAM verkort deze doorlooptijden met wel 80% en levert op aanvraag gecertificeerde, bijna-net-shape maritieme componenten. Typische toepassingen zijn onder meer:
Hoge snelheid 3D-geprinte bronzen propeller en op maat gemaakte voortstuwingsbladen.
Corrosiebestendige waaiers voor onderwaterpompen en veiligheidskleppen.
Bestand tegen biofouling WAAM in de maritieme sector , leidingonderdelen en zeewaterfittingen.
Architectuur en grootschalige kunst
Naast de zware industrie maken architecten en ontwerpers gebruik van de structurele en esthetische eigenschappen van koperlegeringen voor vrije vormen die niet op economisch verantwoorde wijze kunnen worden gegoten. De mogelijkheid om meerassige robotbewegingen rechtstreeks vanuit digitale coördinaten aan te sturen, maakt hybride verbindingspunten van constructiestaal en brons, decoratieve gevels en grote sculpturale installaties mogelijk. Een uitstekend technisch voorbeeld hiervan is onze Takenaka-staalverbinding , die laat zien hoe geavanceerde baanplanning bouwtechniek kan combineren met op maat gemaakte materiaalindelingen.
Hoe bestel je een onderdeel van brons of een koperlegering?
Door over te stappen op de productie van koperlegeringen op aanvraag vervallen de minimale bestelhoeveelheden en worden de inkooprisico’s verminderd. Om een project via onze ‘print-on-demand’-workflow te starten, hanteert ons ontwerpbureau de volgende criteria:
Digitale geometrie: Een native CAD-bestand of 3D-model waarin de grenzen van het onderdeel zijn gedefinieerd.
Legering specificatie: Keuze van de gewenste legering (bijv. CuAl8Ni6 voor propellers of CuSi3 voor architecturale panelen) op basis van uw mechanische eisen.
Certificeringsprotocollen: Vermelding van eventuele specifieke eisen van maritieme classificatiebureaus (zoals Lloyd’s Register, DNV of Bureau Veritas) die nodig zijn om aan de regelgeving te voldoen.
Zodra dit is geverifieerd, coördineert onze vestiging het volledige WAAM-proces (WAAM) en de niet-destructieve keuring (NDT) om een volledig traceerbaar, gedocumenteerd onderdeel te leveren.
Veelgestelde vragen
Kan brons in 3D worden geprint?
Ja, brons kan met succes op grote schaal worden 3D-geprint met behulp van Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Door standaard in de handel verkrijgbare lasdraden, zoals tinbrons (CuSn6) of siliciumbrons (CuSi3), met een elektrische boog te smelten, kunnen robotsystemen compacte, meerdere meters grote constructie- en architecturale onderdelen vervaardigen, zonder enige beperking door de afmetingen van de bouwkamer.
Kan koper in 3D worden geprint?
Zuiver koper kan in 3D worden geprint, maar dit gebeurt doorgaans alleen via poederbedfusie of bindmiddelspuitprocessen, omdat zuiver koper door zijn hoge thermische geleidbaarheid en reflectievermogen niet geschikt is voor processen op basis van een boog. Voor de productie van grote formaten wordt er overgeschakeld op hoogsterke koperlegeringen in plaats van zuiver, geleidend koper.
Welke koperlegeringen kunnen met een 3D-printer worden geprint?
Een breed scala aan lasbare koperlegeringen is geschikt voor grootschalige WAAM-productie. Hiertoe behoren tinbrons (CuSn6) voor algemene slijtvastheid, siliciumbrons (CuSi3) voor architectonische toepassingen, aluminiumbrons (CuAl8) voor chemische fittingen, en hoogwaardige varianten zoals nikkel-aluminiumbrons (CuAl8Ni6) en cupronikkel (CuNi 70/30) voor maritieme toepassingen.
Is 3D-geprint brons sterk genoeg voor propellers?
Ja. Met Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) worden volledig dichte onderdelen van nikkel-aluminiumbrons (CuAl8Ni6) geproduceerd die qua mechanische sterkte gelijk zijn aan of beter presteren dan traditioneel in zand gegoten brons. Dankzij de gecontroleerde robotbaanplanning worden de risico’s op interne porositeit – die in gieterijen vaak voorkomen – geëlimineerd, waardoor WAAM bij uitstek geschikt is voor zwaar belaste scheepsschroeven en onderwaterwaaiers.
Kan je cupronikkel 3D-printen voor gebruik in zeewater?
Ja, cupronikkel (CuNi 70/30) kan via WAAM in 3D worden geprint voor de productie van maritieme leidingen en onderwatercomponenten met een hoge capaciteit. Het materiaal biedt een uitstekende weerstand tegen plaatselijke chlorideputcorrosie en beschikt over natuurlijke bescherming tegen macrofouling die aangroei voorkomt, waardoor het bij uitstek geschikt is voor offshore-omgevingen.
Kan MX3D puur geleidend koper printen voor elektrische stroomrails?
Nee, MX3D print geen puur elektrolytisch koper voor maximale elektrische geleidbaarheid. Onze grootformaat WAAM-technologie is geoptimaliseerd voor zeer sterke, constructieve en corrosiebestendige koperlegeringen. Voor onderdelen van puur koper, zoals stroomrails of koelplaten, blijven poederbedsystemen de juiste keuze.
Houd je materiaalstrategie bij
Om te zien hoe deze kopervarianten in onze bredere materiaalmatrix passen, kun je onze gids over WAAM-materialen en certificering , of ontdek hoe deze legeringen zich rechtstreeks verhouden tot conventionele methoden in ons uitgebreide overzicht van WAAM versus gieten en smeden .
