Grootschalig 3D-printen met metaal: hoe WAAM bouwt wat anderen niet kunnen

Belangrijke opmerkingen:

• Omzeilt ruimtelijke beperkingen: Omzeilt de strikte beperkingen van de bouwkamer bij conventionele poederbedsystemen door gebruik te maken van meerassige industriële robots om monolithische structuren te printen met een lengte van meerdere meters.

• Hoge afzettingssnelheden: Bereikt een uitzonderlijke doorvoercapaciteit van 2 tot 8 kilogram per uur, waardoor de grootschalige productie van componenten economisch haalbaar wordt voor de zware industrie.

• Elimineert de overheadkosten voor het maken van mallen: De matrijsbouwfase wordt volledig overgeslagen doordat de routeplanning voor de robot rechtstreeks vanuit digitale CAD-bestanden wordt aangestuurd, waardoor de doorlooptijd wordt teruggebracht van maanden tot weken.

• Infrastructuur met hoge capaciteit: Ondersteund door de vestiging van MX3D in Amsterdam, waar meer dan 15 gespecialiseerde printsystemen staan die 24 uur per dag, 7 dagen per week continu in productie zijn.

• Bewezen en gecertificeerde toepassingen: Gevalideerd door opvallende successen in de praktijk, waaronder veiligheidskritische pijpleidingklemmen, zware waaiers voor de energiesector en 's werelds eerste volledig functionele 3D-geprinte stalen voetgangersbrug.

De ontwikkeling van de industriële productie

Grootschalig 3D-printen met metaal is een geavanceerde vorm van additive manufacturing waarbij gebruik wordt gemaakt van robotmanipulatiesystemen om gesmolten metaaldraad langs door software gegenereerde banen aan te brengen. Door geautomatiseerd robotgestuurd 3D-printen met metaal met technologieën voor booglassen, worden bij dit proces structurele onderdelen met een hoge dichtheid vervaardigd zonder de beperkingen van traditionele geometrie. Deze methode stelt industriële sectoren wereldwijd in staat om gebruik te maken van grootformaat 3D-metaalprinten te gebruiken voor de productie van zware componenten met een lengte tot enkele meters, waardoor de strikte beperkingen op de structurele afmetingen van standaard poederbedmachines effectief worden omzeild.

Al decennia lang kampen engineeringteams met een hardnekkige productieknelpunt bij de vervaardiging van enorme metalen onderdelen. Standaard poederbedfusietechnologieën blijven fysiek beperkt tot kleine bouwkamers, waardoor de maximale afmeting van een onderdeel doorgaans beperkt blijft tot minder dan 300 millimeter. Traditionele methoden zoals gieten vergen maandenlange voorbereiding voor dure, op maat gemaakte gereedschappen en gietvormen, terwijl zware open-matrijs-smeedprocessen gepaard gaan met zeer lange inlevertijden, waardoor cruciale infrastructuurprojecten tot wel een jaar lang kunnen worden vertraagd.

Implementatie van waam-additieve productie via een onbeperkte industriële 3D-metaalprinter worden deze ruimtelijke en financiële beperkingen volledig weggenomen. Door volledig zonder gesloten bouwkamer te werken, print dit meerassige robotsysteem op aanvraag hoogwaardige structurele onderdelen met uitzonderlijke afzettingssnelheden variërend van 2 tot 8 kilogram per uur. Als een van de best gekwalificeerde productiefaciliteiten in Europa heeft MX3D de industriële schaalbaarheid van deze aanpak rechtstreeks gevalideerd en baanbrekend werk verricht op het gebied van kritische structurele fabricages — waaronder de beroemde MX3D-brug in Amsterdam , ’s werelds eerste volledig functionele 3D-geprinte stalen voetgangersbrug voor openbaar gebruik.

Waarom WAAM de meest schaalbare technologie voor 3D-printen met metaal is

Voor schaalbare additive manufacturing met metaal is een afzettingsmethode nodig waarbij de productiegrootte losgekoppeld wordt van het vaste machineframe, zonder dat dit ten koste gaat van de economische haalbaarheid. Wire Arc Additive Manufacturing realiseert deze schaalbaarheid door standaard industriële robots om te vormen tot flexibele printkoppen, waardoor organisaties onderdelen kunnen printen die zo groot zijn als hun faciliteit fysiek aankan.

Geen beperkingen op de afmetingen van de bouwkamer

Conventionele 3D-printtechnieken voor metaal, zoals selectief lasersmelten of elektronenstraalsmelten, worden fundamenteel beperkt door het fysieke volume van hun interne vacuümkamers of poederkamers. Om een poederbedmachine op te schalen voor een onderdeel van meerdere meters is een exponentieel groter volume aan gespecialiseerd verstoven poeder nodig, wat enorme kapitaalkosten en complexe overheadkosten voor milieubeheer met zich meebrengt. Systemen voor lasergestuurde energieafzetting (DED) zijn eveneens afhankelijk van nauwkeurige meerassige portaalframes of grote gaszuiveringskasten die de algehele bewegingsvrijheid beperken.

Robotgestuurde booglassystemen werken in de open lucht en maken gebruik van plaatselijk toegevoerd inert beschermgas dat rechtstreeks via de toortsmondstuk wordt aangevoerd om het plaatselijke smeltbad te beschermen. Aangezien deze technologie geen externe kamerwanden vereist, is het fysieke bereik van de industriële robotarm de enige praktische beperking voor de uiteindelijke afmetingen van het werkstuk. Door deze robotmanipulatoren op lineaire geleidingen of portaalrails te monteren, wordt het werkgebied onbeperkt uitgebreid, waardoor de continue fabricage van monolithische metalen constructies met een overspanning van meerdere meters mogelijk wordt.

Afsettingssnelheden die de productie van grote onderdelen economisch haalbaar maken

Voor de productie van zware constructieonderdelen is een technologie nodig waarmee enorme hoeveelheden materiaal binnen strakke commerciële tijdschema’s kunnen worden aangebracht. Bij poederbedsystemen wordt materiaal in microscopisch kleine lagen aangebracht, waardoor de productie van een onderdeel van 100 kilogram volstrekt onhaalbaar is vanwege de bouwtijd van meerdere weken. Bij lasergestuurde energieafzetting wordt materiaal sneller opgebouwd, maar deze methode wordt nog steeds beperkt door hoge systeemkosten en beperkingen in de poederrendement.

Bij Wire Arc Additive Manufacturing wordt een elektrische boog gebruikt om robuust constructielasdraad te smelten, waardoor een snelle materiaalaanbouw wordt bereikt die effectief schaalbaar is voor de zware industrie. Afhankelijk van het gekozen materiaal zorgen de huidige configuraties routinematig voor hoge afzettingssnelheden tussen de 2 en 8 kilogram per uur. Deze snelheid zorgt ervoor dat enorme industriële componenten in een fractie van de tijd die alternatieve additieve methoden vereisen, van een digitaal ontwerp naar een bijna-net-vorm-toestand worden omgezet.

Vergelijking van afzettingstechnologieën

Technologie	Bereik van de afzettingssnelheid	Praktische maximale grootte	Formulier grondstoffen
WAAM (Arc DED)	2 tot 8 kilogram per uur	Enkele meters (afhankelijk van het bereik van de robot)	Standaard lasdraad
Laser-DED	0,5 tot 2 kilogram per uur	Ongeveer 1 meter	Speciaal poeder of draad
Laser-PBF	0,1 tot 0,5 kilogram per uur	Niet meer dan 300 millimeter	Fijn verstoven poeder

Geen gereedschap en geen doorlooptijd voor matrijzen

De traditionele zware industrie is afhankelijk van de stabilisatie van gereedschappen bij grote productievolumes. Bij industrieel zandgieten moeten gieterijen zes tot achttien maanden besteden aan het ontwerpen, valideren en frezen van complexe houten of metalen modellen, voordat er ook maar één druppel vloeibaar metaal kan worden gegoten. De initiële kapitaalinvestering voor deze op maat gemaakte mallen bedraagt vaak meerdere duizenden euro’s, waardoor productie in kleine volumes of op maat gemaakte, unieke geometrieën in de praktijk onhaalbaar worden.

Bij additieve fabricage met draadboog wordt de gehele fase van de matrijzenbouw in de toeleveringsketen overgeslagen. Omdat de software voor het plannen van robotbanen de productie rechtstreeks aanstuurt vanuit een digitaal CAD-bestand (Computer-Aided Design), kan het productieproces voor het eerste fysieke onderdeel al binnen enkele weken in plaats van maanden van start gaan. Door het wegvallen van op maat gemaakte gereedschappen vervallen minimale bestelhoeveelheden, neemt het financiële risico voor inkoopteams af en zijn snelle ontwerpiteraties mogelijk zonder het risico op dure afvoerkosten.

Grootschalige WAAM-productie bij MX3D

Voor contractproductie van grote formaten is een geïntegreerde faciliteit nodig die in staat is om robotgestuurde processen met hoge capaciteit te beheren en tegelijkertijd aan strenge kwalificatienormen te voldoen. MX3D beschikt over een gespecialiseerde infrastructuur die is geoptimaliseerd voor de uitvoering van omvangrijke printprojecten onder strikte kwaliteitscontroleprotocollen.

Systeemspecificaties M1

Om bedrijven te voorzien van zelfstandige, interne productiemogelijkheden, levert MX3D het kant-en-klare M1-robotsysteem. De standaardconfiguratie van de M1 biedt een ruim bouwvolume van 2200 millimeter breed, 1400 millimeter diep en 1700 millimeter hoog. Voor onderdelen die deze standaardafmetingen overschrijden, zijn er aangepaste configuraties beschikbaar die het laadvermogen uitbreiden tot maar liefst 750 kg.

De belangrijkste productielocatie in Amsterdam herbergt meer dan 15 gespecialiseerde robots voor additieve fabricage met draadboog. Deze gecentraliseerde infrastructuur draait 24 uur per dag, 7 dagen per week volgens geautomatiseerde productieschema’s en biedt de zware industrie een uitzonderlijk schaalbare oplossing voor contractproductie, waarmee jaarlijks duizenden kilogram aan metalen onderdelen kunnen worden verwerkt.

Beproefde grootschalige projecten

De belangrijkste bevestiging van elke ‘near-net-shape’-technologie ligt in de praktijkervaring die ermee is opgedaan. De historische hoeksteen van onze staat van dienst op het gebied van grootschalig printen wordt gevormd door de MX3D-brug in Amsterdam. Dit project heeft aan de regelgevende instanties met succes aangetoond dat draadboogtechnologie op veilige wijze kan voldoen aan strenge veiligheidsnormen voor civiele techniek, zonder dat er een beroep hoeft te worden gedaan op traditionele constructiebalken. Andere belangrijke realisaties uit het verleden zijn onder meer het 750 kg zware industriële klephuis, de Framatome-waaier en het structurele dolium.

Naast openbare infrastructuur heeft onze fabriek met succes een enorme, 350 kilogram zware waaier van nikkel-aluminium-brons vervaardigd, die speciaal is ontworpen voor veeleisende toepassingen in de energiesector. Dit industriële onderdeel, dat in slechts 9 dagen werd geproduceerd, zorgde voor een verkorting van de totale doorlooptijd van de inkoop met 80 procent in vergelijking met conventioneel gietwerk.

In een derde belangrijke toepassing heeft ons team een volledig gecertificeerde structurele pijpleidingklem geleverd, ontworpen voor hogedrukomgevingen in de olie- en gasindustrie. Dit veiligheidskritische onderdeel werd onderworpen aan strenge, door een onafhankelijke derde partij uitgevoerde niet-destructieve tests (NDT), waaruit bleek dat additieve fabricage met booglas de dichtheid, mechanische eigenschappen en wettelijke goedkeuringen kan bieden die nodig zijn om zware gesmede fittingen te vervangen in toepassingsgebieden met een hoog risico.

Materialen voor grootschalig 3D-printen met metaal

De keuze van materiaal van industriële kwaliteit bepaalt hoe een zwaar onderdeel presteert onder zware structurele, thermische en corrosieve belastingen. Bij grootschalige booglasprocessen wordt gebruikgemaakt van standaard industriële lasdraden die volledig zijn geïntegreerd in wereldwijde materiaaltoeleveringsketens.

Legeringen voor de primaire metaalverwerking

Materiaalkwaliteit	Belangrijk technisch voordeel bij grote onderdelen	Typische industriële toepassing
SS316L & Duplex 2205	Uitstekende corrosiebestendigheid en structurele vloeigrens.	Offshore-knooppunten en maritieme constructie-elementen.
Duplex 2209	Uitzonderlijke weerstand tegen plaatselijke putcorrosie in zeewater.	Onderwaterverdeelstukken en drukcomponenten voor olievelden.
Koolstofstaal	Kostenefficiënte mechanische prestaties voor grote constructies.	Zware bouwconstructies en op maat gemaakte industriële gereedschappen.
Inconel 625 en 718	Structurele stabiliteit bij hoge temperaturen en oxidatiebestendigheid.	Onderdelen voor de energiesector en industriële drukvaten.
Aluminium (5356, 5183, 6063)	Lichtgewichtoptimalisatie voor omvangrijke aangepaste configuraties.	Scheepsopbouwen en architecturale panelen met vrije vorm.

Door gebruik te maken van standaard, in de handel verkrijgbare lasdraden zorgen grootschalige WAAM-systemen voor een drastische verlaging van de inkoopkosten van grondstoffen in vergelijking met poederbedprocessen, waarbij gespecialiseerde verstoven poeders tot wel twintig keer zo duur kunnen zijn per kilogram. Dit open materiaalecosysteem zorgt ervoor dat ingenieurs kunnen overstappen op additieve productie met behulp van vertrouwde, gecertificeerde metallurgie.

Voor wie is grootschalig 3D-printen met metaal bedoeld?

Additieve productie op grote schaal biedt aanzienlijke strategische voordelen voor kapitaalintensieve sectoren waarin stilstand van bedrijfsmiddelen een enorm financieel risico met zich meebrengt. Deze technologie richt zich op knelpunten in de toeleveringsketen binnen vier belangrijke mondiale sectoren:

Maritiem

De maritieme sector kampt met ernstige operationele kwetsbaarheden als gevolg van de lange toeleveringsketens voor zware structurele gietstukken. Wanneer een cruciaal onderdeel van een schip, zoals een schroefblad, een gespecialiseerde roerpen of een structureel knooppunt, defect raakt, kost het de scheepseigenaren tienduizenden euro’s aan dagelijkse operationele verliezen als ze maanden moeten wachten tot er via een traditionele productiemethode een vervangend onderdeel is gegoten. Grootformaat draadboogprinten lost deze kwetsbaarheid op door vervangende onderdelen op aanvraag te vervaardigen, waarbij volledig dichte componenten van maritieme kwaliteit worden geleverd die de eigenschappen van gietstukken evenaren of overtreffen.

Energie

In de upstream-olie- en gasindustrie, de downstream-raffinage en de moderne energieopwekking moet apparatuur bestand zijn tegen hoge druk, temperatuurschommelingen en corrosieve vloeistoffen. De traditionele doorlooptijden voor de aanschaf van zware klephuizen, onderzeese verdeelstukken, grote flenzen en op maat gemaakte drukvaten leiden vaak tot vertragingen bij fabrieksuitbreidingen of onderhoudsbeurten. Draadboogprinten versnelt deze processen door energiecomponenten te vervaardigen die vrijwel de uiteindelijke vorm hebben, met minimale verspilling van grondstoffen, terwijl tegelijkertijd wordt voldaan aan strenge internationale ontwerpvoorschriften voor drukvaten.

Architectuur en bouw

Moderne constructieontwerpen vragen steeds vaker om complexe, vrije vormen en sterk geoptimaliseerde staalknooppunten die met conventionele productiemethoden niet rendabel kunnen worden vervaardigd. Door robotbewegingen te combineren met het genereren van meerassige gereedschapspaden stelt draadboogprinten bouwkundig ingenieurs in staat om op maat gemaakte staalelementen en architectonische knooppunten op maat rechtstreeks vanuit digitale coördinaten te vervaardigen. De 6 meter hoge „Tresse Tower“ is een blijvend bewijs van hoe deze aanpak geometrische vrijheid biedt met behoud van de structurele integriteit.

Verdediging

De defensie- en lucht- en ruimtevaartsectoren vereisen absolute onafhankelijkheid van de toeleveringsketen en de mogelijkheid tot snelle modernisering. Het vertrouwen op kwetsbare wereldwijde toeleveringsketens voor enorme structurele beugels, transportframes of vervangingsonderdelen voor verouderde defensieplatforms brengt een aanzienlijk strategisch risico met zich mee. Dankzij grootformaat robotprinten kunnen defensieorganisaties lokale, op-aanvraag werkende productiecentra opzetten die zware componenten vervaardigen uit ruwe draadgrondstoffen, waardoor de afhankelijkheid van gieterijen op grote afstand wordt verminderd en de logistieke ketens drastisch worden verkort.

Veelgestelde vragen

Wat is het grootste metalen onderdeel dat met een 3D-printer kan worden geprint?

De maximale afmetingen van een metalen onderdeel dat via draadboog-additieve fabricage wordt geproduceerd, worden vrijwel volledig bepaald door het fysieke bereik van de industriële robotarm en de lengte van het railsysteem waarlangs deze zich verplaatst. Met WAAM geprinte onderdelen kunnen een lengte van meerdere meters overschrijden, zoals blijkt uit zware industriële apparatuur zoals drukvaten en pulperschroeven, maar ook uit architectonische elementen zoals de Cucuyo-bar en de Dragon Bench.

Wat is de grootste 3D-printer ter wereld?

Terwijl traditionele grootformaatsystemen gebruikmaken van enorme, gesloten portaalframes die miljoenen euro’s kosten, maakt de meest toegankelijke grootschalige aanpak gebruik van meerassige industriële robotarmen die op lineaire rails zijn gemonteerd. MX3D maakt in zijn contractproductiefaciliteit in Amsterdam gebruik van een infrastructuur van meer dan 15 geautomatiseerde robotsystemen, waardoor een onbeperkt en zeer schaalbaar productiegebied ontstaat waarin structurele onderdelen met een gewicht tot 20 ton kunnen worden geprint.

Hoe verhoudt grootschalig 3D-printen met metaal zich tot gieten en smeden?

Traditioneel gieten en smeden zijn bij uitstek geschikt voor de productie van grote series en repetitieve werkstukken, maar kampen met lange doorlooptijden, hoge kosten voor op maat gemaakte matrijzen en aanzienlijke materiaalverspilling tijdens de secundaire bewerking. Met draadboogprinten vervallen de kosten voor op maat gemaakte gereedschappen, waardoor de initiële doorlooptijden worden teruggebracht van maanden tot weken. Bovendien wordt een aanzienlijk lagere ‘buy-to-fly’-verhouding bereikt doordat materiaal alleen wordt aangebracht waar dat structureel nodig is, waardoor het afval van grondstoffen tot een minimum wordt beperkt.

Welke materialen kunnen worden gebruikt voor grootschalig 3D-printen met metaal?

De technologie voor grootschalig booglassen is volledig compatibel met een uitgebreid assortiment standaard lasdraden voor commercieel gebruik. Hieronder vallen hoogsterkte koolstofstaal, constructiestaal van roestvrij staal zoals 316L, corrosiebestendig duplex- en superduplexstaal, hoogwaardige, lichtgewicht aluminiumlegeringen en nikkel-superlegeringen voor hoge temperaturen, zoals Inconel 625 en 718.

Hoe lang duurt het om een groot metalen onderdeel te vervaardigen met WAAM?

De totale productietijd voor een bijna-net-shape-onderdeel varieert van enkele dagen tot enkele weken, afhankelijk van het totale geometrische volume, het totale gewicht van het onderdeel en de vereiste materiaaleigenschappen. Aangezien robotcellen met hoge capaciteit een afzettingssnelheid tot 8 kilogram per uur halen, verloopt de daadwerkelijke printfase uitzonderlijk snel, waardoor het engineeringteam zich volledig kan richten op de nabewerking en de kwaliteitscontrole.

Klaar om op grote schaal te printen?

Om uw zware productieprojecten om te schakelen van traditionele giet- en smeedstukken naar grootschalige 3D-metaalprinting, heeft u een ervaren partner nodig met bewezen succes in de praktijk. MX3D exploiteert Europa’s toonaangevende robotgestuurde draadbooginstallatie en maakt gebruik van een infrastructuur van meer dan 15 geautomatiseerde productiecellen die 24/7 in bedrijf zijn om volledig gecertificeerde, near-net-shape-componenten te leveren aan ’s werelds meest veeleisende sectoren. Of u nu een cruciaal, uniek vervangingsonderdeel moet vervaardigen of de aanschaf van een geavanceerde interne productiecel overweegt, ons team biedt volledige technische ondersteuning, robuuste gecertificeerde kwaliteit en snelle levertijden vanuit onze hoofdvestiging in Amsterdam.

• Vraag een offerte aan voor een lopend project: Vraag een offerte aan →

• Ontdek geavanceerde hardware-integratie: Ontdek MX3D WAAM-systemen →

• Gecertificeerde onderdelen op aanvraag bestellen: Bestel onderdelen op aanvraag →