Continuvezelprinten: 3D-printen met ingebouwde versterking
Stel je gewapend beton voor: los beton is sterk onder druk, maar breekt snel als je eraan trekt. Daarom leggen bouwers er stalen wapeningsstaven in, die juist heel goed trekkrachten opvangen. Continuvezelprinten past hetzelfde principe toe op 3D-geprinte kunststof onderdelen. In plaats van staal wordt een doorlopende, ononderbroken streng vezel — meestal koolstofvezel, glasvezel of aramidevezel (kevlar) — tijdens het printen in de kunststof laag voor laag mee ingebed.
Het resultaat is een onderdeel dat er op het oog uitziet als een gewoon geprint plastic voorwerp, maar dat qua sterkte en stijfheid in de buurt komt van aluminium of zelfs staal, terwijl het veel lichter blijft. Denk aan een beugel voor een drone-arm, een gereedschapsklem in een fabriek, of een prothesekoker: onderdelen met complexe vormen die met traditionele metaalbewerking duur of onmogelijk zijn te maken, maar die wel zware belasting moeten kunnen dragen.
Wat is het precies?
Continuvezelprinten bouwt voort op de bekende 3D-printtechniek fused deposition modeling (FDM), waarbij een printkop gesmolten kunststofdraad laag voor laag op elkaar legt. Bij continuvezelprinten komt daar een tweede printkop bij, die tijdens het printen een dunne, doorlopende vezelstreng afgeeft en die insmelt of samenperst met de omringende kunststof (de zogeheten matrix).
Er zijn twee hoofdvarianten. Bij de eerste wordt de vezel al vooraf doordrenkt met hars (pre-impregnatie, of "prepreg") en tijdens het printen verhit zodat hij aan de kunststoflaag hecht. Bij de tweede worden vezel en gesmolten kunststof pas bij de printkop zelf samengevoegd, net voordat ze op het printbed landen. Sommige systemen voegen na het printen nog een extra verhittings- of persstap toe om luchtbelletjes eruit te drukken en de hechting tussen vezel en kunststof te verbeteren.
Belangrijk is dat software vooraf berekent waar de krachten in het onderdeel het grootst zullen zijn, en de vezel precies langs die lijnen laat lopen — vergelijkbaar met de nerf in hout, die ook sterker is in de richting van de vezel dan dwars erop. Dat maakt continuvezelprinten fundamentally anders dan "gewone" versterkte 3D-printfilamenten, waarin korte, willekeurig georiënteerde vezelstukjes door de kunststof zijn gemengd: die verhogen de stijfheid een beetje, maar niet de treksterkte in een specifieke richting zoals een doorlopende vezel dat doet.
Een blijvende technische beperking is dat de vezel goed te sturen is binnen een laag (het platte vlak), maar veel lastiger dwars door de lagen heen (de z-richting). Onderdelen blijven daardoor relatief kwetsbaar voor delaminatie: het loslaten van lagen van elkaar, vooral bij belasting loodrecht op de printrichting.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte is gewichtsbesparing zonder sterkteverlies. Voertuigen, drones, robots en vliegtuigen worden zuiniger en wendbaarder naarmate ze lichter zijn. Traditioneel composietwerk — het met de hand of machinaal opbouwen van koolstofvezelweefsel in een mal — is echter arbeidsintensief, vraagt dure mallen en levert veel restmateriaal op. Continuvezelprinten belooft dezelfde sterkte-gewichtsverhouding, maar dan met de flexibiliteit van 3D-printen: geen mal nodig, snel wisselen van ontwerp, en materiaal alleen daar waar het nodig is.
Daarnaast speelt ontwerpvrijheid een grote rol. Bij geweven composietmatten liggen vezels in rechte, kruisende banen. Een printkop kan de vezel echter langs gebogen paden leggen die precies de belastingslijnen in een onderdeel volgen, wat theoretisch efficiënter materiaalgebruik oplevert.
Ten slotte is snelheid een drijfveer: bedrijven willen op aanvraag, zonder wachttijd voor mallen of gereedschap, sterke onderdelen kunnen printen — handig voor prototypes, reserveonderdelen en kleine series.
Voorbeelden uit de praktijk
Markforged bracht in 2014 de Mark One op de markt, algemeen beschouwd als de eerste commercieel verkrijgbare 3D-printer die doorlopende koolstofvezel kon verwerken naast een nylon matrix. Latere modellen ondersteunen ook glasvezel en kevlar, en worden onder meer gebruikt voor mallen, gereedschap en functionele onderdelen in de industrie.
Continuous Composites, een Amerikaans bedrijf, ontwikkelde een technologie genaamd CF3D, waarbij een robotarm in de vrije ruimte met vezel-harscombinaties print, zonder de laag-voor-laag beperking van klassieke FDM. Het bedrijf richt zich onder meer op lucht- en ruimtevaart- en defensietoepassingen.
9T Labs, een spin-off van de ETH Zürich in Zwitserland, combineert 3D-printen van een vezelvoorvorm met een naverwerkingsstap van thermisch persen (hun "Additive Fusion Technology"), om de dichtheid en sterkte dichter bij traditioneel autoclaaf-composiet te brengen. Het bedrijf richt zich op kleine series hoogwaardige onderdelen, bijvoorbeeld voor motorsport en luchtvaart.
Arevo, eveneens uit de Verenigde Staten, gebruikte continuvezelprinten om complete fietsframes uit koolstofvezel te printen, in samenwerking met fietsmerken — een toepassing die liet zien dat de techniek ook grote, doorlopend belaste structuren aankan, niet alleen kleine beugels.
Anisoprint, met wortels in Rusland en hoofdkantoor in Luxemburg, ontwikkelde een variant genaamd "composite fiber co-extrusion", waarbij vezel en kunststof pas bij de printkop worden gecombineerd. Ook aan Nederlandse kennisinstellingen wordt onderzoek gedaan naar continuvezelversterkt printen voor luchtvaarttoepassingen, onder meer binnen de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft.
Hoe ver is de techniek?
Continuvezelprinten is sinds ongeveer 2014 commercieel verkrijgbaar en heeft zich sindsdien stevig gevestigd in nichetoepassingen: prototypes, gereedschap, mallen en niet-vliegkritische onderdelen. Voor die toepassingen wordt de techniek als volwassen beschouwd.
Voor kritische toepassingen — bijvoorbeeld gecertificeerde vliegtuigonderdelen — ligt dat anders. Certificering van 3D-geprinte composietonderdelen voor de luchtvaart staat nog relatief in de kinderschoenen, mede omdat de mechanische eigenschappen van geprinte composieten minder voorspelbaar en minder goed gedocumenteerd zijn dan die van traditioneel autoclaaf-composiet. Poreusheid (kleine luchtholtes) en zwakkere hechting tussen lagen blijven bekende knelpunten.
Normalisatie-instanties zoals ASTM en ISO werken aan bredere standaarden voor additive manufacturing (de ISO/ASTM 52900-serie), maar specifieke, breed geaccepteerde testnormen voor continuvezelversterkte geprinte composieten zijn nog in ontwikkeling. Dat maakt het voor bedrijven lastiger om prestaties van verschillende systemen eerlijk te vergelijken, en vertraagt bredere toepassing in gereguleerde sectoren zoals lucht- en ruimtevaart of medische implantaten.
Ook printsnelheid blijft een obstakel: continuvezelprinten is trager dan gewoon FDM-printen, wat de techniek minder geschikt maakt voor grote series.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten vormen het zwaartepunt van commerciële ontwikkeling, met bedrijven als Markforged, Continuous Composites en Arevo. In Europa is Zwitserland actief via 9T Labs (voortgekomen uit onderzoek aan de ETH Zürich), en is Anisoprint — met een geschiedenis in Rusland maar hoofdkantoor in Luxemburg — een belangrijke speler.
Op onderzoeksgebied doen meerdere universiteiten en laboratoria mee, waaronder het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (bekend van grootschalig 3D-printen), de University of Nottingham in het Verenigd Koninkrijk, en in Nederland de TU Delft, waar onderzoek loopt naar lichtgewicht, vezelversterkte geprinte structuren voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen.