3D PrintKompas

Het project 3D PrintKompas (3DPK) ondersteunt de ambitie dat Noord-Nederland dé 3D‑maakregio van Nederland is in 2030. In dit project wordt door diverse regionale bedrijven en kennisinstituten gewerkt aan drie kennis- en valorisatiewerkpakketten: 3D-metaalprinten, polymeerprinten en elektronica‑printen. Het lectoraat Smart Sustainable Manufacturing is een partner in het onderzoek naar grootformaat‑polymeerprinten. Door kennisopbouw en valorisatie kan aangetoond worden dat de techniek betrouwbaar en reproduceerbaar toegepast kan worden.

Wat is de aanleiding voor het project?

3D‑printen is een wereldwijde groeimarkt met veel potentie. Er zijn voortdurende ontwikkelingen in technologie, digitalisering, materialen, productontwikkeling, circulariteit en engineeringsoftware. Voor het groot formaat 3DXL-printen, ook wel Big Area Additive Manufacturing (BAAM) genoemd, is aanvullend onderzoek nodig naar de relaties tussen ontwerp- en instelparameters en de resulterende proces- en producteigenschappen. Om prestaties betrouwbaar vast te stellen, zijn innovatieve testmethoden noodzakelijk. Digitalisering op het gebied van aansturing (CAD‑CAM) is vereist om complexe baangeometrieën te realiseren, terwijl digitalisering binnen engineering (CAE) nodig is om tot voorspelbare productieprocessen te komen.

Welk probleem lost het project op?

BAAM kent enkele uitdagingen. De techniek wordt sinds 2015 toegepast en er is nog veel onderzoek nodig naar de verschillende facetten van het printgedrag. Door het grote formaat zijn de effecten van opgebouwde restspanningen aanzienlijk. Dit leidt tot sterke vervorming (warping) of tot afschuifbreuk tussen lagen (cracking).

Daarom is het van essentieel belang om use cases met functionele onderdelen te realiseren, waarmee de eigenschappen en het gedrag van zowel het productieproces als het eindproduct kunnen worden vastgesteld. Deze data wordt gebruikt in datamodellen voor procesoptimalisatie en voor de ontwikkeling van thermische en mechanische simulatiesoftware (CAE). Naast het groot formaat printen wordt onderzoek gedaan naar de toepassing van de techniek voor het overprinten of lassen van polymeren.

De gebruikte thermoplastische materialen zijn in principe recyclebaar, maar door het grote formaat lastig te herverwerken. Daarom is geïnvesteerd in een grote composietshredder, waarmee grootformaatproducten kunnen worden verwerkt tot flakes. Deze worden vervolgens met behulp van een compounder omgezet in korrels. Hierdoor wordt het mogelijk om met circulaire materialen te printen en de bijbehorende materiaaleigenschappen te onderzoeken.

Wie is het projectteam?

Het projectteam bestaat uit vaste onderzoekers en studentengroepen die, samen met docent‑onderzoekers, in een leerbedrijf werken aan relevante praktijkvraagstukken. Studenten worden via onderwijsmodules in hun curriculum gekoppeld aan het lopende onderzoek.

De samenwerking vindt plaats binnen reguliere studentenprojecten, de minor High Tech Systems & Materials en stage- en afstudeeropdrachten. De studenten zijn afkomstig uit de opleidingen Werktuigbouwkunde, Elektrotechniek, Chemische Technologie, Industriële Productontwikkeling en Toegepaste Wiskunde.

Hoe pakt het projectteam dat aan?

De onderzoekers Roelof Rusticus, Jaap Verhage, Mark van der Staay, Tom van Os en Damy Többen werken onder andere in het ‘Skillslab 3DXL Composite Manufacturing’ vraagstukken uit het werkveld. In samenwerking met partners wordt veelal projectmatig gewerkt, van kadering en planning tot en met uitvoering.

Studenten kunnen een rol vervullen binnen specifieke onderzoeksgebieden en worden gekoppeld aan lopende onderzoeken. Zij organiseren hun eigen project, doen vooronderzoek naar materialen en technieken, krijgen een introductie in robot- en extrusietechnologie en leren printbanen programmeren met gespecialiseerde CAM‑software (zoals ENCY en Adaxis).

Vervolgens kunnen studenten zich verdiepen in thema’s als System Engineering, Productontwikkeling en Model‑Based Engineering. Inspanningen binnen het thema System Engineering leiden tot verbeterde prestaties van de technologie. Binnen het thema Productontwikkeling resulteert dit in de realisatie van complexe producten. Inspanningen binnen Model‑Based Engineering dragen bij aan de validatie van het proces en de gerealiseerde materiaaleigenschappen.

Wat zijn de belangrijkste (voorlopige) resultaten?

Het projectwerk leidt tot de ontwikkeling van een methode voor ‘procesoptimalisatie middels engineering practice’. Op basis van een eenvoudige testserie kan een inschatting worden gemaakt van de optimale settings voor een specifiek product, bij een vaste laagdikte.

Er is geïnvesteerd in de aanschaf en implementatie van innovatieve testmethoden, gericht op het bepalen van (thermo)mechanische, dimensionele en microstructurele eigenschappen van geprinte producten.

Daarnaast is een teststrategie ontwikkeld om te komen tot een transvers isotroop mechanisch materiaalmodel. Op basis van dit model kunnen complex geprinte geometrieën onder statische belasting worden gesimuleerd.

Conform een ontwikkelde teststrategie worden thermo‑mechanische testen uitgevoerd om een transvers isotroop materiaalmodel te valideren. Op basis van dit model kan het thermo‑mechanische gedrag tijdens en na het printen van eenvoudigere geometrieën worden gesimuleerd.

Grote geprinte producten kunnen worden vermalen tot flakes met behulp van een industriële shredder. Deze flakes moeten vervolgens verder worden verkleind om geschikt te zijn voor het compoundingproces.

Projectpartners

• Nedcam

• RUG

• NLR

• Binder

• GeTech

• Titomic

• Stork

• Philips