Technologische disruptie in de maakindustrie

Waar bij 3D-printing initieel de nadruk nog lag op 'prototyping' met het oog op het onderzoeken van de gewenste functionaliteit van een op industriële schaal te produceren voorwerp en later op het aanmaken van reservestukken, werkstukken en/of de productie van een slechts beperkt aantal voorwerpen, gaat vandaag heel wat meer aandacht vooral uit naar de ontwikkeling en/of perfectionering van technologische benaderingen die moeten toelaten om een échte additieve productie op industriële schaal mogelijk te maken. Dat hierbij de productie van voorwerpen mogelijk wordt, die qua ontwerp en opbouw via meer klassieke productieprocessen niet mogelijk is en tot een betere functionaliteit leidt, is meegenomen. Het woord 'additief' geeft de essentie weer van alle technologische benaderingen die onder de noemer 3D-printing of AM vallen. Hierbij wordt een voorwerp laag per laag opgebouwd en niet in één stap en/of via het wegnemen van materiaal vervaardigd. Diverse klassieke technologische benaderingen zoals ondermeer SLA (stereolithography), FDM (fused deposition modeling) en SLS (selective laser sintering) voor het vervaardigen van kunststofvoorwerpen of DMLS (direct metal laser sintering) en EBM (electron beam melting) voor het vervaardigen van metalen voorwerpen worden alle gekenmerkt door specifieke voor- en nadelen op het vlak van bouwsnelheid, dimensioneel bereik (wat zijn de minimale en maximale dimensies van het voorwerp), dimensionele nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid en finaal ook op het vlak van de materialen die al dan niet kunnen gebruikt worden (deze zijn dan weer maatgevend voor de fysische eigenschappen van het finale voorwerp). Omtrent dit alles is heel wat literatuur beschikbaar, waarbij het jaarlijks in maart gepubliceerde en omvangrijke Wohlers Report '3D Printing and Additive Manufacturing - Global State of the Industry' telkens weer een gedetailleerde laatste stand van zaken biedt.Bij de selectie van een beschikbare technologische benadering in het licht van het opzetten van een volwaardig additief productieproces dienen ook alle factoren meegenomen te worden die de productiesnelheid en -kost van een te vervaardigen voorwerp beïnvloeden. In augustus 2022 werd bekend dat 3D Systems Corporation (VS), één van de industriereuzen op het vlak van 3D-printing/AM, de Duitse scale-up dp polar heeft overgenomen van de ALTANA Group (meerderheidsaandeelhouder sinds 2017). Dp polar werd in 2014 opgericht door Hans Mathea (die reeds zijn sporen verdiend had als oprichter van CSAT Industrial Digital Printing Technology, een pionier op het vlak van digital label printing) en heeft een technologiebenadering ontwikkeld en gepatenteerd waarbij op een continue wijze een voorwerp opgebouwd wordt op een roterend platform bij gebruik van een stationaire printkop (het zgn. High-Speed Rotative (HSR) AM-proces). Er zijn niet langer start/stop operaties vereist, wat de productiesnelheid ten goede komt. Bovendien laat deze benadering ook toe om de 'footprint' van het systeem op de productievloer sterk te beperken. In principe is deze benadering geschikt voor elke 3D-printingtechnologie, maar Hans Mathea heeft vanuit zijn achtergrond en ervaring gekozen voor UV (piëzo) inkjet printing in een eerste productimplementatie (op basis van Xaars 1003 inkjet kop). Momenteel heeft dp polar twee systemen in het assortiment: de AMPolar i1 (voor maximale flexibiliteit) en de AMPolar i2 (voor maximale productiviteit). De AMPolar i1 en i2-systemen van dp polar laten toe om tegelijk meerdere verschillende vloeistoffen te jetten bij de opbouw van een materiaal. Dit laat toe om gestructureerde voorwerpen te bouwen, waarbij zelfs gradiënten in bepaalde materiaaleigenschappen (zoals hardheid en brekingsindex) kunnen ingebouwd worden. Dp polar werkt reeds enige tijd op het vlak van de ontwikkeling van haar zogenaamde Cubic Ink UV curable fluids samen met zowel de ALTANA Group als het Belgische bedrijf Chemstream. Het gaat hier zowel om vloeistoffen die chemisch getuned zijn met het oog op de finale fysische eigenschappen (bijv. hard/zacht of hydrofoob/hydrofiel) of bijvoorbeeld de biocompatibiliteit van het geprinte/gebouwde voorwerp, als om transparante 'support fluids' die nodig zijn om overhangende delen van het voorwerp te ondersteunen tijdens het opbouwen, maar na het printen op eenvoudige wijze (bijv. door spoelen met water, eventueel onder lichte mechanische impact) kunnen verwijderd worden.Het wordt nu afwachten hoe en wanneer 3D Systems Corporation de verworven dp polar-technologie en/of producten in haar assortiment zal verwerken, met name in haar ProJet range van UV inkjet 3D-printers, die principieel eveneens de mogelijkheid bieden om meerdere vloeistoffen gelijktijdig te jetten (zgn. MultiJet (MJP) technologie). Bovenstaande tabel maakt alvast duidelijk dat de dp polar-technologiebenadering een multiplicatie van de bouwsnelheid en het bouwvolume (aan een aanvaardbare snelheid) mogelijk maakt. Het wordt verder ook afwachten hoe de overname van dp polar de relatie tussen dit bedrijf, de ALTANA Group en Chemstream zal beïnvloeden. In principe kunnen op de systemen van zowel dp polar als 3D Systems Corporation ook vloeistoffen gebruikt worden met diverse kleuren zodat ook het bewerkstelligen van complexe kleurgradiënten mogelijk wordt. In de praktijk is hier alvast in het assortiment van 3D Systems Corporation en dp polar nog niet veel van te merken. Mogelijk liggen IP-issues aan de grondslag hiervan. Het valt op in deze context dat die andere industriereus op het vlak van 3D printing/AM, Stratasys (VS-Israël), wel degelijk expliciet de mogelijkheid vermeldt om voorwerpen met meerdere kleuren en/of kleurgradiënten te vervaardigen op de systemen in haar PolyJet-range van UV inkjet 3D-printers. Er wordt zo bijvoorbeeld geclaimd dat meer dan 600.000 kleuren kunnen gegenereerd worden op de PolyJet J850 Prime met Stratasys' VeroUltra fuids range. In oktober vorig jaar werd bekend dat Stratasys voor de volle honderd procent eigenaar is geworden van de in 2018 opgerichte Xaar-Stratasys JV Xaar 3D. De technologie van Xaar 3D kreeg meteen een nieuwe naam mee: Selective Absorption Fusion (SAF). Bij deze technologiebenadering wordt een IR (infrarood) licht absorberende oliegebaseerde vloeistof via (piëzo) inkjet beeldsgewijze aangebracht op een fijne poederlaag, waarna de van fluid voorziene fijne polymeerdeeltjes laag per laag onder invloed van een sterke IR-lichtbron samen worden gesmolten en zo finaal een voorwerp wordt opgebouwd. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van een hiertoe speciaal ontwikkelde en gepatenteerde 'Big Wave'-poeder management technologie, die ervoor zorgt dat het gebruikte poeder laag per laag op een nauwkeurige en consistente manier verdeeld wordt over het oppervlak van het bouwoppervlak (isotroop poederbed). Stratasys vermarkt vandaag op basis van deze SAF-technologie haar zogenaamde H Series Production Platform met als eerste commercieel beschikbaar product de H350 3D printer (gelanceerd in april 2021) met Xaar 1003 inkjetkoppen. Er wordt geclaimd dat de implementatie van de SAF-technologie met haar snelheid en beduidend lagere stukkost voor een brede doorbraak van 3D-printing in de maakindustrie zal zorgen. De SAF-technologie werd oorspronkelijk ontwikkeld vanaf 2001 aan de Universiteit van Loughborough (VK) door Neil Hopkinson en stond oorspronkelijk bekend als High Speed Sintering (HSS) technologie. Dit onderzoek leidde reeds vanaf 2003 tot diverse octrooien die vandaag nog steeds gemanaged worden door een IP-kantoor aan de Universiteit van Loughborough. Naast Xaar 3D (en dus nu Stratasys) heeft ook het Duitse voxeljet (lancering van eerste systeem in november 2017) een licentie verworven op deze technologie (waarbij eveneens een oliegebaseerde vloeistof gebruikt wordt). Daarnaast kan men met een aan de zekerheid grenzende waarschijnlijkheid stellen dat ook HP een dergelijke licentie op deze technologie heeft verworven in het kader van haar Multi Jet Fusion (MJF) 3D-printportfolio (op basis van HP's thermal DOD (drop-on-demand) inkjettechnologie, waarbij waterige vloeistoffen worden aangewend), ook al vindt men HP niet terug in de lijst van HSS technology licencees op de webstek van de Universiteit van Loughborough. Daar staat wel vermeld dat vandaag reeds meer dan 2.500 HSS-machines wereldwijd in de markt geïnstalleerd werden. De conclusie lijkt dus duidelijk... HP startte met name reeds in 2014 met de marktintroductie van haar eerste MJF 3D-printsystemen. Merkwaardig genoeg vindt men in deze lijst wel 3D Systems Corporation terug... zal deze grote concurrent van Stratasys en HP zich finaal ook in dit technologiedomein bewegen? In dit kader is het wellicht ook interessant om te weten dat reeds enige tijd in de vakliteratuur gespeculeerd wordt over een aanstaande overname van voxeljet door een grotere en meer kapitaalkrachtige speler... Voxeljet profileert zich duidelijk als dé productiviteits- en bouwvolumekampioen in dit technologiegebied en stelt dat een hogere printresolutie (zoals bij de Jet Fusion systemen van HP) minder van belang is in het licht van de grootte van de gebruikte poederdeeltjes. Het is interessant vast te stellen dat er in de technologische benadering van HP ook sprake is van het gebruik van een zogenaamde 'detailing (cooling) agent', die beeldsgewijze het versmelten van de poederdeeltjes tegengaat en op deze wijze niet alleen voor een grotere werkingsspeelruimte zorgt, maar ook in principe fijnere voorwerpdetails mogelijke maakt. HP maakt verder in haar productliteratuur ook gewag van zogenaamde 'transforming agents' die zouden toelaten om bij de opbouw van een voorwerp ondermeer volgende eigenschappen te bepalen, al dan niet in zogenaamde gradient mode: (1) dimensionele nauwkeurigheid en detailtekening, (2) oppervlakteruwheid, textuur en wrijvingscoëfficiënt, (3) treksterkte, flexibiliteit, hardheid en andere gerelateerde materiaaleigenschappen, (4) elektrische en thermische geleidbaarheid, (5) opaciteit en doorschijnendheid en (6) kleur in de massa en aan het oppervlak. Het is niet duidelijk of dergelijke 'transforming agents' vandaag reeds beschikbaar zijn in het assortiment van HP. In de productliteratuur is alvast slechts sprake van witte of grijze voorwerpen. Vandaag is bij Stratasys enkel en alleen reeds een specifiek PA11 (polyamide) poedermateriaal gekwalificeerd voor gebruik in haar SAF proces. Het is te verwachten dat hier op korte termijn verandering in zal komen. In augustus werd namelijk bekend dat Stratasys voor (in eerste instantie) ongeveer 43 miljoen euro de Additive Manufacturing-activiteiten van chemiereus Covestro heeft overgenomen. Covestro had deze Resins & Functional Materials-business zelf nog maar enkele jaren geleden (zomer 2020) overgenomen van DSM, die het op zijn beurt had verworven van Clariant. Voxeljet werkt van zijn kant nauw samen met zowel Covestro als Evonik, evenzeer een HSS technology licencee, en biedt vandaag reeds specifieke PA12, PP (polypropyleen), TPU (thermoplastisch polyurethaan), PEBA (polyetherblockamide) en EVA (ethyleen vinylacetaat copolymeer) poeders aan. HP werkt dan weer samen met onder meer Evonik en BASF en biedt vandaag gekwalificeerde PP, PA11, PA12, PA12 GB (glass beads), TPA (thermoplastisch polyamide) en TPU-poeders aan. Zowel Stratasys als voxeljet en HP hebben een zogenaamd 'materials certification program' opgezet. Hierbij wordt ook uitdrukkelijk gekeken naar de noodzakelijke compliance met een aantal erkende H&S (health & safety) industrienormen. In september lanceerde HP haar langverwachte en baanbrekende nieuwe Metal Jet S100-systeem (aangekondigd reeds in 2017, beschikbaar vanaf midden 2023), dat de vervaardiging van metalen voorwerpen volgens een vergelijkbare benadering als in haar Multi Jet Fusion (MJF)-systemen mogelijk maakt. Ook hier wordt gebruikt gemaakt van HP's thermal DOD inkjet technologie (waterige fluids) en speciale hiertoe ontwikkelde zogenaamde 'Metal Injection Molding' (MIM)-materialen in plaats van de sferische poeders die gebruikt worden bij DMLS (direct metal laser sintering). De zogenaamde 'metal binding agent' vloeistof bevat een specifiek polymeer dat deze metalen deeltjes samenbindt die bevochtigd worden met deze fluid. Een extra (klassieke) sinteringstap is wel vereist na de opbouw van het voorwerp. Volgens HP laat haar Metal Jet-technologie toe om beduidende voordelen te realiseren qua dichtheid en isotropie en dit aan een stukkost van het finale voorwerp die 20 tot 33 procent lager is dan bij meer conventionele benaderingen zoals MIM. Vandaag zijn reeds twee roestvrijstaal-materialen gekwalificeerd voor HP's Metal Jet S100 systeem. Het is op heden niet erg duidelijk waarin HP's Metal Jet S100 zich onderscheidt van concurrentiële producten op basis van dezelfde 'binder jetting'-technologiebenadering. Ten opzichte van het DM P2500 systeem van Digital Metal (deel van Markforged) onderscheidt HP zich alvast door een hoger bouwvolume en een hogere productiviteit (DM P2500 heeft een max. bouwvolume van 0,55 liter en een max. productiviteit van 0,5 liter/uur). Het Production System P-50 van Desktop Metal heeft dan weer een maximaal bouwvolume van 36 liter en een productiviteit van 12 liter per uur (bij 1200 dpi xy-resolutie en een laagdikte van 30 to 200 µm).Uit het voorgaande blijkt dat met de meest recente ontwikkelingen op het vlak van inkjet 3D-printing een échte doorbraak van 3D-printing/AM in de maakindustrie in het vooruitzicht kan gesteld worden en dit voor een breed scala aan applicaties. 3D inkjet printing lijkt op het vlak van productiesnelheid, bouwvolume en dus ook stukkost de seriële additieve productie van diverse voorwerpen te gaan mogelijk maken en dan vooral ook van voorwerpen die via klassieke productietechnologieën niet mogelijk zijn. De vraag die bij de studie van de laatste ontwikkelingen enigszins onbeantwoord blijft, is of de fysische eigenschappen van voorwerpen vervaardigd op deze wijze volledig identiek of gelijkwaardig zijn. Dit is wellicht het belangrijkste aandachtspunt voor de komende periode.