Onderdeel van onze Complete gids voor additieve fabricage met draadboog →
Additive manufacturing met draadboog heeft de manier waarop de zware industrie de productie van grootschalige metalen onderdelen benadert volledig veranderd. Door gebruik te maken van industriële robotarmen en standaard lasdraad kunnen fabrikanten enorme onderdelen voor de energie-, maritieme en lucht- en ruimtevaartsector vervaardigen in een fractie van de tijd die nodig is bij traditioneel smeden of gieten. Deze technologie produceert onderdelen echter in een toestand die bijna de uiteindelijke vorm heeft. Om te voldoen aan de strenge eindtoleranties en gladde oppervlakteafwerkingen die door bouwtechnische normen worden vereist, moeten deze geprinte onderdelen een subtractieve CNC-bewerking ondergaan.
De cruciale schakel tussen de ruwe, geprinte geometrie en het uiteindelijke precisieonderdeel is de bewerkingsspeling. Deze speling is het specifieke volume aan extra materiaal dat bewust aan het digitale ontwerp wordt toegevoegd en dat als buffer dient om te garanderen dat het uiteindelijke bewerkte oppervlak perfect glad, nauwkeurig en volledig vrij van ruwe lasgolvingen is. Het correct beheren van deze speling is een essentiële vaardigheid voor elk productieteam. Deze gids beschrijft de fysica van oppervlaktegolfvorming, onderzoekt opspanstrategieën voor onregelmatige prints, vergelijkt spelingen tussen verschillende materialen en legt uit hoe geavanceerde software de overgang van additive naar subtractieve productie stroomlijnt.
Wat is een bewerkingsopslag en waarom is deze zo belangrijk?
Bij draadboog-additieve fabricage is de bewerkingsmarge de extra metaallaag die bovenop de beoogde uiteindelijke geometrie wordt aangebracht. Wanneer de robotarm klaar is met printen, is het onderdeel opzettelijk te groot gemaakt. Vervolgens verwijdert een CNC-freesmachine of -draaibank deze extra laag, waardoor de exacte uiteindelijke afmetingen zichtbaar worden.
Het berekenen van de perfecte zakgeldbedrag is een delicate evenwichtsoefening.
Als de freesruimte te klein is, kan het snijgereedschap de diepste dalen van het ruwe lasnaadoppervlak niet bereiken. Hierdoor blijven er zichtbare, onbewerkte lasnaden achter op het eindproduct, die als spanningsconcentrators fungeren en uiteindelijk tot een afgekeurd onderdeel leiden.
Omgekeerd, als de tolerantie te groot is, verspilt de fabrikant kostbare grondstoffen, te veel beschermgas en kostbare robottijd. Bovendien leidt het verwijderen van een te grote hoeveelheid zwaar metaal tijdens de nabewerkingsfase tot een aanzienlijke toename van de CNC-bewerkingstijd en versnelt het de slijtage van dure snijgereedschappen. Het optimaliseren van dit overtollige materiaal is de sleutel tot het maximaliseren van de economische voordelen van grootschalig 3D-printen met metaal.
De fysica van oneffenheden in oppervlakken
Om de juiste hoeveelheid extra materiaal te berekenen, moeten ingenieurs eerst begrijpen waarom het ruwe oppervlak van een draadboogafdruk oneffen is. Bij het afzettingsproces brengt een lasbrander laag voor laag ononderbroken rijen gesmolten metaal aan.
Wanneer een cilindrische druppel vloeibaar metaal stolt, vormt deze een afgeronde rand. Wanneer de volgende laag direct daarbovenop wordt aangebracht, stapelen de twee afgeronde druppels zich op, waardoor een geschulpt profiel ontstaat langs de verticale wand van het onderdeel. De diepte van deze schulp, gemeten vanaf de top van de druppel tot het diepste dal tussen de lagen, staat bekend als oppervlaktegolfvorming.
De mate waarin dit golven optreedt, hangt af van drie belangrijke factoren:
- Draaddiameter en afzettingssnelheid
- Laaghoogte en druppelbreedte
- Samenstelling van het beschermgas en oppervlaktespanning van het materiaal
Bij een hoge afzettingssnelheid, bedoeld om snel een groot onderdeel te bouwen, wordt doorgaans gebruikgemaakt van een dikkere draad en een grotere laagdikte, wat leidt tot een zeer uitgesproken golving van het oppervlak. Bij een fijne afzettingsstrategie wordt gebruikgemaakt van een dunnere draad en kleinere laagdiktes, wat resulteert in een veel strakker oppervlakteprofiel. De bewerkingsspeling moet altijd ruim groter zijn dan de maximale diepte van de diepste dal van de golving.
Belangrijke factoren die van invloed zijn op de berekening van de vergoedingen
Naast de gewone oneffenheden van het oppervlak zijn er verschillende geavanceerde metallurgische en thermische factoren die bepalen hoeveel extra materiaal in het digitale model moet worden ingevoerd.
Thermische vervorming en krimp
Wanneer vloeibaar metaal afkoelt tot kamertemperatuur, krimpt het. Bij onderdelen van meerdere meters kan deze thermische krimp zich over duizenden lagen opstapelen, waardoor de totale geometrie naar binnen trekt of licht vervormt. Als het engineeringteam geen rekening houdt met deze algemene vervorming, kan het uiteindelijke onderdeel buiten de beoogde tolerantiezone komen te liggen. Ingenieurs moeten een ruime tolerantie toevoegen aan gebieden die gevoelig zijn voor ernstige kromtrekking, zodat het CNC-gereedschap nog steeds voldoende materiaal heeft om een perfect rechte lijn te snijden, ondanks de onderliggende kromming van de ruwe print.
Oppervlakteoxidatie en de alfa-toestand
Bepaalde hoogwaardige legeringen reageren bij hoge temperaturen met zuurstof. Titanium vormt bijvoorbeeld een broze, met zuurstof verrijkte laag op het oppervlak, ook wel alfa-laag genoemd, wanneer het tijdens het afkoelen wordt blootgesteld aan atmosferische omstandigheden. Deze broze laag heeft zeer slechte mechanische eigenschappen en moet volledig worden verwijderd. Bij titaniumprints moet de bewerkingsmarge dik genoeg zijn om te garanderen dat deze verontreinigde oppervlaktelaag volledig wordt verwijderd, tot aan het zuivere, ductiele basismetaal eronder.
Hoekradii en toegankelijkheid voor gereedschap
Binnenhoeken vormen een bijzondere uitdaging. Een robotlastoorts heeft een specifieke minimale draaicirkel nodig en kan geen perfect scherpe binnenhoeken van 90 graden aanbrengen. Ook CNC-snijgereedschappen hebben specifieke radii. Bij de digitale speling moet rekening worden gehouden met de fysieke afmetingen van de lastoortsmondstuk, zodat de robot daadwerkelijk bij het gebied kan komen om het extra materiaal aan te brengen, terwijl tegelijkertijd wordt gewaarborgd dat de CNC-spil later in de uitsparing kan reiken om het materiaal te verwijderen.
Vergelijking van toeslagen: materialen en processen
Verschillende metalen gedragen zich anders onder de intense hitte van een elektrische boog. Sommige vloeien soepel en vormen vlakke lasnaden, terwijl andere zich steil opstapelen. De volgende tabel biedt een vergelijkend overzicht van de gebruikelijke toleranties op basis van verschillende WAAM-materialen en de complexiteit van de onderdelen.
| Materiaalsoort | Stromingskenmerken | Risico op thermische vervorming | Aanbevolen minimale huidtolerantie |
| Koolstofstaal | Zeer soepel, vlot stapelen | Matig | 2 tot 4 millimeter |
| Roestvrij staal | Dikke, uitgesproken golvingen | Hoog | 3 tot 5 millimeter |
| Superduplex roestvast staal | Zeer stroperige, steile druppels | Hoog | 4 tot 6 millimeter |
| Aluminiumlegeringen | Zeer vloeibare, brede, platte kralen | Zeer hoog | 3 tot 5 millimeter |
| Titaniumlegeringen | Netjes stapelen in beschermgas | Matig | 4 tot 6 millimeter om de alfakast vrij te maken |
Het is belangrijk om de mogelijkheden van draadboog-additieve fabricage op het gebied van ‘near net shape’ te vergelijken met die van traditionele methoden in de zware industrie.
| Productiemethode | Standaardtolerantie | Benodigde standaard bewerkingsopslag | Levertijd |
| Additieve fabricage met booglas | plus of min 1 tot 2 millimeter | 2 tot 6 millimeter | Dagen tot weken |
| Zandgieten | plus of min 3 tot 5 millimeter | 5 tot 15 millimeter | Maanden |
| Vrijsmeden | plus of min 10 tot 20 millimeter | 10 tot 30 millimeter | Maanden |
Uit deze vergelijking blijkt waarom 3D-printen met draad zo baanbrekend is. Hoewel er wel nabewerking nodig is, is de hoeveelheid afvalmateriaal die moet worden weggesneden aanzienlijk kleiner dan bij open-matrijs-smeden of zandgieten.
Strategieën voor het opspannen van grote onregelmatige vormen
Voordat een onderdeel met een bijna-net-vorm kan worden bewerkt, moet het stevig op het CNC-bed worden vastgeklemd. Dit vormt een enorme logistieke uitdaging. In tegenstelling tot een perfect vierkant blok ruw staal, heeft een print met een bijna-net-vorm golvende, organische en onregelmatige oppervlakken. Standaard CNC-klemmen kunnen deze golvende wanden niet stevig vastgrijpen.
Om dit op te lossen, maken productie-ingenieurs gebruik van verschillende gespecialiseerde opspanstrategieën:
- Het printen van opofferingslipjes voor klemmen: Tijdens de digitale ontwerpfase kunnen ingenieurs kunstmatig vierkante blokjes of stevige lipjes aan de buitenrand van het model toevoegen. De robot print deze lipjes speciaal zodat de CNC-klemmen een vlak, vierkant oppervlak hebben om vast te grijpen. Zodra de cruciale onderdelen zijn bewerkt, worden deze lipjes afgesneden en gerecycled.
- Gebruik van de originele draagplaat: De meest gebruikelijke werkwijze is om het geprinte onderdeel stevig op de originele stalen draagplaat te laten zitten. De draagplaat is perfect vlak en kan eenvoudig op de CNC-tafel worden bevestigd. De machine freest de gehele bovenste geometrie, waarna een lintzaag of een draadvonkmachine het voltooide onderdeel van de draagplaat afsnijdt.
- Speciale ondersteuningsmallen: Voor zeer complexe onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart of de scheepvaart kunnen ingenieurs een op maat gemaakte, nauwsluitende ondersteuningsmal printen van een goedkoper materiaal, zoals polymeer of koolstofstaal, die speciaal is ontworpen om het onregelmatige metalen printwerk tijdens de laatste bewerkingsfase te ondersteunen.
Het verminderen van trillingen van gereedschap en slijtage van CNC-machines
Het bewerken van een golvend metalen oppervlak is bijzonder zwaar voor snijgereedschap. Omdat het oppervlak uit pieken en dalen bestaat, komt het draaiende snijgereedschap voortdurend in en uit contact met het metaal. Dit verschijnsel staat bekend als een onderbroken snede.
Onderbroken sneden veroorzaken heftige trillingen, ook wel ‘gereedschapstrillingen’ genoemd, die broze hardmetalen wisselplaten kunnen doen breken en de lagers van de CNC-spil kunnen beschadigen. Bovendien kunnen de snelle opwarm- en afkoelcycli die inherent zijn aan het printproces plaatselijke verharding in de lasnaden veroorzaken, waardoor harde plekken ontstaan die standaardgereedschap onmiddellijk bot maken.
Om deze problemen te beperken, moeten verspaners specifieke strategieën toepassen. Ten eerste gebruiken ze gespecialiseerde frezen met zeer taaie, slagvaste hardmetalen soorten in plaats van standaard soorten met een hoge hardheid. Ten tweede moet de eerste voorbewerkingsgang zo worden geprogrammeerd dat er diep genoeg wordt ingedoken om continu door het massieve metaal onder de dalen te snijden, in plaats van over de toppen van de groeven te glijden. Een royale koelvloeistoftoevoer is ook noodzakelijk om metaalspaan te verwijderen en de warmte te beheersen die wordt gegenereerd bij het verspanen van taaie legeringen zoals superduplex of Inconel.
Gebruik van MetalXL-software voor het optimaliseren van toeslagen
De overgang van de robotdrukcel naar de subtractieve CNC-machine is van oudsher de fase in het productieproces waarin de meeste fouten worden gemaakt. MX3D stroomlijnt deze overgang volledig via de MetalXL-softwaresuite.
Met de MetalXL CAM-module kunnen ingenieurs de uiteindelijke doelgeometrie eenvoudig verschuiven, waardoor wiskundig de exacte opofferingslaag wordt gegenereerd die nodig is voor het specifieke materiaal dat wordt gebruikt. De software berekent automatisch de ideale baanplanning om deze overmaatse geometrie met maximale efficiëntie te vervaardigen, waardoor onnodig materiaalverlies wordt voorkomen.
Bovendien is het, zodra het onderdeel fysiek is geprint, in de branche gebruikelijk om een 3D-laserscanner te gebruiken om de fysieke vorm van het kromgetrokken, golvende onderdeel vast te leggen. De MetalXL-workflow stelt ingenieurs in staat om deze scangegevens te gebruiken en deze perfect uit te lijnen met de digitale tweeling met behulp van geavanceerde best-fit-algoritmen. Deze digitale uitlijning zorgt ervoor dat wanneer de CAM-programmeur de CNC-snijpaden genereert, hij precies weet waar het fysieke metaal zich in de echte ruimte bevindt, waardoor het risico wordt geëlimineerd dat het snijgereedschap in de lucht terechtkomt of gevaarlijk diep in een onverwachte piek duikt.
Veelgestelde vragen
Wat houdt 'near net shape' in bij metaalprinten?
'Near net shape' houdt in dat het productieproces een onderdeel oplevert dat qua afmetingen al vrijwel overeenkomt met de uiteindelijke afmetingen, maar dat er nog een tweede, subtractieve bewerkingsstap nodig is om de uiteindelijke nauwkeurige toleranties en een glad oppervlak te verkrijgen.
Waarom kunnen we metalen onderdelen niet volkomen glad printen?
Bij additieve fabricage met draadboog worden rijen gesmolten lasdraad op elkaar gestapeld. De natuurkunde leert ons dat vloeibaar metaal door oppervlaktespanning ronde, cilindrische vormen aanneemt. Wanneer deze ronde rijen laag voor laag op elkaar worden gestapeld, ontstaat er onvermijdelijk een licht geribbelde of gekartelde oppervlaktestructuur.
Hoeveel extra materiaal moet er worden toegevoegd voor de bewerking?
De exacte hoeveelheid hangt sterk af van het gekozen materiaal, de geselecteerde afzettingssnelheid en de totale afmetingen van het onderdeel. Over het algemeen wordt een minimale speling van 3 tot 6 millimeter aanbevolen om ervoor te zorgen dat alle diepe plekken in het oppervlak en mogelijke thermische vervormingen tijdens het frezen ruimschoots worden opgevangen.
Hoe bevestig je een onderdeel met een golvend patroon in een CNC-machine?
Technici laten het geprinte onderdeel meestal vastzitten aan de vlakke, oorspronkelijke basisplaat, die eenvoudig op het machinebed kan worden vastgeklemd. Als alternatief kunnen er bewust vierkante bevestigingslipjes direct op de zijkanten van het onderdeel worden geprint, zodat deze met standaard bankschroeven kunnen worden vastgeklemd.
Maakt het printen van extra materiaal de kostenbesparingen van additive manufacturing teniet?
Nee. Hoewel er weliswaar wat materiaal verloren gaat, is bij additieve fabricatie met een boog nog steeds aanzienlijk minder overmaat nodig dan bij traditioneel zandgieten of smeden in een open matrijs. De besparingen op grondstoffen en de totale doorlooptijd wegen ruimschoots op tegen de kosten van het wegfrezen van een paar millimeter extra materiaal.
