Additive manufacturing met metaal omvat een reeks geavanceerde productieprocessen waarbij industriële metalen onderdelen laag voor laag worden opgebouwd op basis van een digitaal ontwerp, met behulp van draad of poeder als grondstof. Deze uitgebreide gids behandelt de belangrijkste technologieën voor 3D-printen met metaal, de specifieke materialen die met elk proces kunnen worden geproduceerd, typische industriële toepassingen en hoe engineeringteams de juiste productiemethode voor een bepaald onderdeel kunnen kiezen. Als pionier op het gebied van robotgestuurde Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) heeft MX3D deze systemen met succes ingezet in streng gereguleerde sectoren. Onlangs is het bedrijf een samenwerking aangegaan met Framatome om geavanceerde robotsystemen te leveren voor een nieuwe, miljoenen kostende faciliteit voor nucleair 3D-printen in Frankrijk.
Wat is additive manufacturing met metaal?
Additive manufacturing met metaal (metal AM) is een groep productieprocessen waarbij metalen onderdelen laag voor laag worden opgebouwd op basis van een digitaal 3D-model, met behulp van grondstoffen in de vorm van draad, poeder of plaatmateriaal. De belangrijkste procesgroepen die in de moderne industrie worden toegepast, zijn poederbedfusie, gerichte energiedepositie, bindmiddelstralen en plaatlaminering. De term additive manufacturing betekent dat het metaal op een additieve manier wordt aangebracht, in plaats van op een subtractieve manier. Waar bij subtractieve productie onderdelen worden gemaakt door materiaal weg te halen, worden bij additive manufacturing onderdelen gemaakt door materiaal toe te voegen. Bij de traditionele methoden worden doorgaans meer subtractieve aspecten gebruikt.
Als gespecialiseerde tak van de bredere sector voor additive manufacturing betekent additive manufacturing met metaal een fundamentele verschuiving in de manier waarop de zware industrie de productie van onderdelen aanpakt. Het maakt de vervaardiging van uiterst complexe geometrieën mogelijk, zorgt voor drastisch kortere doorlooptijden en biedt lokale productiestrategieën die traditionele giet- en smeedtechnieken simpelweg niet kunnen evenaren. Het is ook belangrijk om op te merken dat de termen „3D-printen met metaal“ en „additive manufacturing met metaal“ synoniemen zijn en in de hele sector door elkaar worden gebruikt.
De belangrijkste technologieën voor additive manufacturing met metaal
Er bestaat niet één ‘beste’ methode voor het printen van metaal. Er zijn verschillende technologieën ontwikkeld om aan uiteenlopende technische eisen te voldoen, variërend van microscopisch kleine medische implantaten tot enorme scheepsschroeven.
| Proces | Grondstof | Typische afzettingssnelheid | Standaard bouwvolume | Meest geschikt voor |
| Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) | Lasdraad | 2-15 kg/u | Tot 6 meter en meer | Grote constructiedelen |
| Laser Powder Bed Fusion (L-PBF / SLM) | Metaalpoeder | 0,1-0,5 kg/u | ~300-500 mm | Kleine, complexe precisieonderdelen |
| Elektronenstraalsmelten (EBM) | Metaalpoeder | 0,2-0,8 kg/u | ~350 mm | Reactieve legeringen (Ti, TiAl) |
| Laser-poeder-DED (LP-DED) | Metaalpoeder | 0,5-3 kg/u | Verschilt | Reparatie, bekleding, middelgrote onderdelen |
| Elektronenstraal-DED (EBAM) | Metaaldraad | 3-10 kg/u | Zeer groot | Grote constructies voor de lucht- en ruimtevaart |
| Binder Jetting (BJT) | Metaalpoeder | Verschilt (per partij) | ~800 mm | Productieonderdelen met gemiddelde complexiteit |
| Koude spray | Metaalpoeder | 5-45 kg/u | Open | Coating, reparatie (geen complete onderdelen) |
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)
Bij Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM ) wordt gebruikgemaakt van standaard lasdraad als grondstof en een elektrische boog als warmtebron, die doorgaans wordt aangestuurd door een meerassige robotarm of een portaalsysteem. Omdat het proces in een open ruimte plaatsvindt, biedt WAAM de grootste bouwvolumes van alle AM-processen voor metaal. WAAM vormt de belangrijkste technologische focus van MX3D. De afzettingssnelheden variëren over het algemeen van 2 tot 8 kg/u; deze snelheden zijn echter zeer variabel en hangen af van het specifieke materiaal, de geometrie van het onderdeel, de atmosferische omstandigheden, het gebruik van actieve koeling en of er een enkele of dubbele robotopstelling wordt ingezet. Bovendien houdt het gebruik van standaard lasdraad de materiaalkosten zeer laag, doorgaans tussen € 5 en € 15 per kilogram. Houd er rekening mee dat dit afhankelijk is van variabelen zoals de legeringssamenstelling en de draadkwaliteit.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF / SLM / DMLS)
Laser Powder Bed Fusion is momenteel de standaardtechniek in de industrie voor de productie van kleine, zeer complexe onderdelen. Bij dit proces worden dunne lagen metaalpoeder over een bouwplaat verspreid, die vervolgens selectief worden gesmolten door een krachtige laser. Hoewel L-PBF een uitzonderlijk hoge resolutie biedt die ideaal is voor beugels voor de lucht- en ruimtevaart en medische implantaten, wordt de techniek beperkt door een beperkt bouwvolume (meestal minder dan 500 mm) en lage afzettingssnelheden.
Elektronenstraalsmelten (EBM)
Net als bij L-PBF wordt bij Electron Beam Melting gebruikgemaakt van een poederbed, maar wordt het metaal gesmolten door middel van een elektronenstraal in een hoogvacuümkamer. Dankzij deze vacuümgeregelde omgeving met hoge temperaturen is EBM de voorkeurstechnologie voor de verwerking van reactieve metalen en hoogwaardige superlegeringen, zoals titaniumaluminide.
Direct Energy Deposition (DED)
Onder 'Directed Energy Deposition' vallen processen waarbij een gebundelde energiebron het toevoermateriaal smelt op het moment dat het wordt aangebracht. Tot deze brede categorie behoren WAAM (draad + boog), LP-DED (poeder + laser) en EBAM (draad + elektronenstraal). DED-processen zijn bij uitstek geschikt voor het aanbrengen van materiaal op bestaande ondergronden, waardoor ze ideaal zijn voor het repareren van onderdelen, het bekleden van oppervlakken en het bouwen van grootschalige constructies.
Binder Jetting (BJT)
Bij binder jetting wordt het metaal tijdens het printproces niet gesmolten. In plaats daarvan brengt een printkop een vloeibaar bindmiddel aan op een bed van metaalpoeder, waardoor een „groen“ onderdeel ontstaat. Deze onderdelen moeten vervolgens een tweede thermisch sinterproces ondergaan om de volledige metaal dichtheid te bereiken. Binder jetting is zeer geschikt voor de serieproductie van onderdelen met een gemiddelde complexiteit.
Lamineren van vellen en koudspuiten
Dit blijven zeer gespecialiseerde, nicheprocessen. Bij plaatlaminering worden opeenvolgende vellen metaalfolie aan elkaar gehecht en op maat gesneden om een bepaalde vorm te verkrijgen, terwijl bij koudspuiten met behulp van supersonische gasstralen metaalpoederdeeltjes op een substraat worden geslingerd, waarbij ze uitsluitend door kinetische energie worden gebonden zonder te smelten. Beide technieken worden doorgaans alleen toegepast voor gespecialiseerde coatingtoepassingen of niet-structurele toepassingen.
Materialen voor metaal-AM
De beschikbaarheid en de kosten van materialen bepalen welk AM-proces economisch haalbaar is voor een specifieke toepassing.
| Materiaalfamilie | Voorbeelden | Veelvoorkomende processen | Typische toepassingen |
| Koolstofstaal en laaggelegeerd staal | ER70S-6, S355 | WAAM, DED | Constructieonderdelen |
| Roestvrij staal | 316L, 308L | WAAM, L-PBF, BJT | Corrosiebestendige onderdelen, scheepvaart |
| Duplex en superduplex | 2205, 2507 | WAAM | Olie en gas, maritiem |
| Nikkellegeringen | Inconel 625, 718, 825 | WAAM, L-PBF | Hoge temperaturen, kernenergie, lucht- en ruimtevaart |
| Titaniumlegeringen | Ti-6Al-4V | L-PBF, EBM, EBAM | Lucht- en ruimtevaart, medisch |
| Aluminiumlegeringen | AlSi10Mg, 4043 | L-PBF, WAAM | Gewichtsvermindering, automobielindustrie |
| Koperlegeringen | CuNiAl, brons | WAAM, L-PBF | Scheepvaart, warmtewisselaars |
| Gereedschapsstaal | H13, M2 | L-PBF, BJT | Gereedschap |
Voor kritieke industriële toepassingen zijn de mechanische prestaties en de naleving van de regelgeving van deze geprinte materialen van cruciaal belang. Voor sterk gereguleerde sectoren produceert MX3D actief onderdelen die voldoen aan de Europese Richtlijn drukapparatuur (PED) en de strenge ASME BPVC-normen. Bovendien wordt het vermogen om aan deze normen te voldoen ondersteund door DNV-faciliteitscertificeringen. Wilt u meer weten over de specifieke lasdraden en mechanische eigenschappen die met booglasprocessen kunnen worden bereikt, bekijk dan onze uitgebreide gids over WAAM-materialen.
Metaal-AM versus traditionele productie
Additieve metaalproductie en traditionele subtractieve methoden vullen elkaar over het algemeen aan in plaats van elkaar uit te sluiten. Aangezien additieve metaalproductietechnologieën (met name DED en WAAM) onderdelen produceren die al bijna de uiteindelijke vorm hebben, vereisen vrijwel alle functionele industriële onderdelen een zekere mate van traditionele nabewerking om aan de strenge maattoleranties te voldoen.
De belangrijkste beslissingsfactor voor ingenieurs is de economische haalbaarheid: bij welk productievolume, welke doorlooptijd en welke geometrische complexiteit is een 3D-geprint onderdeel concurrerender dan een traditioneel giet- of smeedstuk?
| Factor | Metaal-AM (WAAM) | Metaal-AM (PBF) | CNC-bewerking | Casting | Smeden |
| Maximale afmetingen van het onderdeel | 6 maanden en ouder | ~500 mm | Machinebed | Foundry Limited | Beperkte oplage |
| Levertijd | Dagen tot weken | Dagen tot weken | Uren tot dagen | Weken tot maanden | Maanden |
| Gereedschapskosten | €0 | €0 | Wedstrijden | € 10.000–100.000+ | € 50.000–500.000+ |
| Materiaalverspilling | ~10% | ~5% | 70-90% | ~5% | ~5% |
| Materiaalkosten | Laag (draad) | Hoog (poeder) | Laag (billet) | Laag | Laag |
| Geometrische vrijheid | Hoog | Zeer hoog | Gemiddeld | Gemiddeld | Laag |
Bekijk voor een uitgebreider economisch overzicht onze gedetailleerde vergelijkingen tussen WAAM en giet- en smeedwerk, en ga na of WAAM kosteneffectief is voor toepassingen in de zware industrie.
Industriële toepassingen per sector
Energie (olie, gas, kernenergie en windenergie)
De energiesector maakt op grote schaal gebruik van metaal-AM voor grote kleppen, waaiers en drukcomponenten. Zo heeft MX3D onlangs voor TotalEnergies een reserveonderdeel voor een zware stoomturbine in ER70SG-staal gereconstrueerd en geprint. Het bijna-net-vorm-onderdeel werd in slechts 5 dagen in één stuk geprint, doorstond de hydrostatische druktest en kon daardoor volledig gecertificeerd en snel in gebruik worden genomen. Daarnaast levert MX3D twee robotgestuurde WAAM-systemen aan Framatome voor hun nucleaire 3D-printfaciliteit ter waarde van € 26 miljoen, die tot doel heeft de doorlooptijden voor koelcircuits van reactoren en splijtstofelementen met wel 50% te verkorten.
Maritiem
De maritieme toeleveringsketen maakt gebruik van metaal-AM om de lange giettermijnen voor zware, cruciale onderdelen zoals schroeven, roerbuizen en op maat gemaakte romponderdelen te omzeilen. Door gebruik te maken van corrosiebestendige legeringen zoals duplex roestvrij staal en nikkel-aluminiumbrons, kunnen scheepswerven noodreserveonderdelen op verzoek printen.
Defensie en lucht- en ruimtevaart
Voor toepassingen in de defensie- en luchtvaartsector zorgt additive manufacturing (AM) voor lokale productienetwerken, waardoor militaire bases en OEM’s kwetsbare wereldwijde toeleveringsketens kunnen omzeilen. De technologie wordt op grote schaal ingezet voor de productie van grote structurele onderdelen van titanium en voor de vervaardiging van verouderde reserveonderdelen voor oudere voertuigplatforms.
Architectuur en bouw
In de bouwsector wordt metaal-AM ingezet voor de productie van topologisch geoptimaliseerde constructieknooppunten en complexe, op maat gemaakte gevelelementen. Door materiaal alleen daar te printen waar de belastingspaden dat vereisen, kunnen architecten het totale gewicht en de ecologische voetafdruk van staalbouwprojecten aanzienlijk verminderen.
Hoe kies je het juiste AM-proces voor metaal?
Om een keuze te maken uit de verschillende technologieën, moeten de procesmogelijkheden worden afgestemd op de specifieke technische beperkingen van het onderdeel.
Kies voor WAAM wanneer:
- Het onderdeel is groter dan ongeveer 500 mm.
- De doorlooptijd is een cruciale factor.
- De materiaalkosten vormen het grootste deel van de totale kosten van het onderdeel (bijvoorbeeld door gebruik te maken van Inconel- of titaniumdraad in plaats van zeer duur poeder).
- De productie vereist kleine tot middelgrote hoeveelheden (1 tot 100 stuks).
- U produceert vervangings- of reserveonderdelen voor verouderde apparatuur waarvoor geen matrijzen meer beschikbaar zijn.
- Als uw gietstukken ook CNC-bewerking nodig hebben voor de afwerking, is WAAM de betere, snellere en goedkopere keuze.
Kies voor poederbedfusie wanneer:
- Het onderdeel vereist uiterst fijne details of complexe interne roosterstructuren.
- Het onderdeel past gemakkelijk in een bouwruimte van ongeveer 500 mm.
- De afwerking van het oppervlak na het printen moet van hoge kwaliteit zijn, zonder dat er in grote mate een beroep hoeft te worden gedaan op nabewerking.
- U produceert precisieonderdelen in kleine tot middelgrote series.
Kies voor binder jetting wanneer:
- U wilt kleine tot middelgrote onderdelen in serie laten produceren.
- De kosten per onderdeel zijn belangrijker dan het realiseren van de absoluut kortste doorlooptijd.
Kies voor traditionele methoden (gieten, smeden) wanneer:
- Het productievolume is zeer groot (>1.000 identieke onderdelen).
- De geometrie van het onderdeel is eenvoudig en gemakkelijk te bewerken.
- De enorme initiële kosten voor de gereedschappen zijn al volledig afgeschreven over eerdere productieruns.
Overwegingen met betrekking tot de kosten van metaal-AM
Om inzicht te krijgen in de economische aspecten van 3D-printen met metaal, moet de totale kostenstructuur in kaart worden gebracht: investeringen in machines, grondstoffen, arbeidskosten, noodzakelijke nabewerking en certificering van het eindproduct.
Het soort grondstof speelt een cruciale rol in de economische rendabiliteit van de productie-eenheid. Bij processen op basis van poeder zijn de grondstofkosten aanzienlijk hoger, vaak variërend van € 50 tot € 200 per kilogram, afhankelijk van de legering. Daarentegen maken draadgebaseerde processen zoals WAAM gebruik van standaard lasdraad, waardoor de materiaalkosten dalen tot € 5 tot € 15 per kilogram, hoewel er na het printen mogelijk meer intensieve CNC-bewerking nodig is om nauwe toleranties te realiseren.
Raadpleeg onze uitgebreide gids over de prijzen van WAAM-machines voor een gedetailleerd overzicht van kapitaalinvesteringen en operationele kosten.
Veelgestelde vragen
Wat is additive manufacturing met metaal?
Additieve metaalproductie is een groep productieprocessen waarbij metalen onderdelen laag voor laag worden opgebouwd op basis van een digitaal model, met behulp van draad of poeder als grondstof. De belangrijkste technologieën zijn draadboog-additieve productie (WAAM), poederbedfusie (PBF), gerichte energiedepositie (DED) en bindmiddelstralen.
Wat zijn de belangrijkste vormen van 3D-printen met metaal?
De belangrijkste technieken voor industriële 3D-metaalprinting zijn Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), Electron Beam Melting (EBM), Directed Energy Deposition (DED) en Binder Jetting. Elk proces biedt specifieke voordelen wat betreft de afmetingen van de onderdelen, de resolutie en de materiaalcompatibiliteit.
Welke metalen kunnen met een 3D-printer worden geprint?
Er kan een breed scala aan lasbare industriële legeringen in 3D worden geprint, waaronder koolstofstaal en laaggelegeerd staal, roestvrij staal, duplex, superduplex, aluminium en koperlegeringen. Daarnaast worden hoogwaardige superlegeringen zoals Inconel en titanium vaak geprint voor de lucht- en ruimtevaart- en energiesector.
Hoeveel kost 3D-printen met metaal?
De kosten lopen sterk uiteen, afhankelijk van de gebruikte technologie. Bij poedergebaseerde methoden wordt gebruikgemaakt van dure grondstoffen (€ 50-€ 200/kg), die geschikt zijn voor kleine precisieonderdelen. Bij draadgebaseerde methoden, zoals WAAM, wordt gebruikgemaakt van zeer voordelige standaardlasdraad (€ 5-€ 15/kg), maar vaak moet er rekening worden gehouden met kosten voor CNC-bewerking na het printen.
Waarvoor wordt additive manufacturing met metaal gebruikt?
Metaal-AM wordt gebruikt voor de productie van complexe industriële onderdelen in kleine tot middelgrote series, waarbij de traditionele kosten voor gereedschap en doorlooptijden volledig worden vermeden. Veelvoorkomende toepassingen zijn onder meer grote scheepsschroeven, drukvaten voor de energiesector, constructieknooppunten voor de lucht- en ruimtevaart en spoedeisende vervangingsonderdelen op aanvraag.
