Draadboogprinten: metalen 3D-printen met een lasrobot
Draadboogprinten is een manier om metalen onderdelen te "printen" met een lasapparaat in plaats van met inkt. In plaats van een vloeibare kunststof laag voor laag op te bouwen, zoals bij een gewone 3D-printer op je bureau, smelt hier een elektrische vlamboog een draad van staal, titanium of aluminium. Die gesmolten druppels metaal worden nauwkeurig op elkaar gestapeld door een robotarm, tot er een driedimensionaal object ontstaat: een console, een scheepsschroef, of zelfs een brug.
Denk aan het lassen van een naad tussen twee stalen platen, iets wat op een scheepswerf al decennia gebeurt. Draadboogprinten is in feite datzelfde lasproces, maar dan duizenden keren herhaald in dunne laagjes boven op elkaar, aangestuurd door een computer die precies weet waar elke druppel moet landen. Zo groeit er langzaam een vorm uit het niets, zonder dat er een mal, gietvorm of blok metaal aan te pas komt waaruit materiaal wordt weggefreesd.
Wat is het precies?
De Engelse naam is Wire Arc Additive Manufacturing, afgekort WAAM. "Wire" staat voor de metaaldraad die als grondstof dient, "arc" voor de elektrische vlamboog die de warmte levert, en "additive manufacturing" is de verzamelnaam voor alle technieken die iets opbouwen door materiaal toe te voegen in plaats van weg te halen (zoals bij frezen of draaien).
Het proces verloopt in grote lijnen zo. Eerst ontwerpt iemand het object in 3D-tekensoftware en wordt dat model opgedeeld in dunne, horizontale lagen. Vervolgens berekent besturingssoftware een pad dat een lasrobot moet volgen om elke laag te "tekenen" met gesmolten metaaldraad. De robot, vaak een industriële robotarm zoals die ook in de auto-industrie staat, doorloopt dat pad terwijl een lasbrander de draad continu aanvoert en smelt met een elektrische boog, plasmastraal of laser.
Elke gesmolten baan stolt binnen enkele seconden weer tot vast metaal, waarna de volgende laag er bovenop wordt gelegd. Zo groeit het object centimeters per uur, veel sneller dan bij de metalen poederprinters die in de industrie ook gebruikt worden, maar wel met een grovere, minder gedetailleerde afwerking. Het resultaat heeft daarom vaak nabewerking nodig: frezen, slijpen of polijsten om de exacte maten en een gladde huid te krijgen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van draadboogprinten is materiaalbesparing. Bij traditioneel produceren van een groot metalen onderdeel begint men vaak met een dik blok metaal waar tachtig procent of meer van wordt weggefreesd tot alleen de gewenste vorm overblijft. Dat heet in de lucht- en ruimtevaart de "buy-to-fly ratio": hoeveel kilo grondstof je moet kopen voor elke kilo die uiteindelijk meevliegt. Met draadboogprinten bouw je bijna alleen het materiaal op dat je ook echt nodig hebt, wat afval, gewicht aan grondstof en kosten voor dure metalen als titanium flink kan terugdringen.
Een tweede doel is ontwerpvrijheid. Omdat er geen gietvorm of mal nodig is, kunnen ontwerpers vormen maken die met traditionele technieken lastig of onmogelijk zijn, zoals organisch gebogen structuren die zowel sterk als licht zijn. Daarnaast is het aantrekkelijk voor kleine series en reserveonderdelen: een werf of fabriek kan een uniek, groot metalen onderdeel op bestelling printen zonder een dure gietvorm te laten maken, wat vooral handig is als een onderdeel niet meer leverbaar is of als transport van een groot gietstuk duur en traag is.
Tot slot hopen onderzoekers dat het proces sneller en goedkoper is dan de bekendere metaalprinttechnieken met poeder, omdat draad als grondstof goedkoper is dan fijn metaalpoeder en de opbouwsnelheid hoger ligt. Daar staat tegenover dat de precisie lager is, dus het is vooral kansrijk voor grote, robuuste onderdelen en minder voor kleine, fijne mechaniek.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste Nederlandse voorbeeld is de MX3D-brug in Amsterdam. Het bedrijf MX3D, voortgekomen uit een idee van ontwerper Joris Laarman, liet lasrobots een roestvaststalen voetgangersbrug printen. Na jaren van printen en testen werd de brug in 2021 geplaatst over de Oudezijds Achterburgwal in de Amsterdamse binnenstad. De brug is uitgerust met sensoren die vervorming, trillingen en belasting meten, zodat onderzoekers (onder meer verbonden aan Imperial College London) langdurig kunnen volgen hoe een geprinte stalen constructie zich in de praktijk gedraagt.
In de scheepvaart ontwikkelde het Rotterdamse RAMLAB (Rotterdam Additive Manufacturing LAB), in de Rotterdamse haven, de "WAAMpeller": een scheepsschroef opgebouwd uit gesmolten bronsdraad met WAAM. Rond 2017 kreeg dit onderdeel goedkeuring van een classificatiebureau als een van de eerste 3D-geprinte scheepsschroeven die daadwerkelijk aan boord van een schip mocht draaien, en het werd nadien ook in de praktijk getest.
In de lucht- en ruimtevaart werkt het Noors-Amerikaanse bedrijf Norsk Titanium met een variant van draadboogprinten (zij noemen het Rapid Plasma Deposition) om structurele titanium onderdelen te maken. Het bedrijf kreeg goedkeuring van de Amerikaanse luchtvaartautoriteit FAA om dergelijke geprinte onderdelen te gebruiken in de Boeing 787 Dreamliner, wat gold als een belangrijke doorbraak voor het vertrouwen in geprint constructiemetaal binnen de luchtvaart.
Ook grote vliegtuig- en motorbouwers zoals Airbus en Rolls-Royce hebben de afgelopen jaren onderzoeksprojecten en proeven met WAAM uitgevoerd voor grote structurele onderdelen, met als doel gewicht en grondstofverbruik te verminderen. Veel van dat werk bevindt zich nog in de onderzoeks- en testfase en heeft niet altijd tot commercieel toegepaste onderdelen geleid; harde, publiek geverifieerde details over de precieze status van deze projecten zijn niet altijd volledig openbaar.
Hoe ver is de techniek?
Draadboogprinten is geen laboratoriumcuriositeit meer, maar ook nog geen alledaagse productietechniek. Onderzoeksgroepen werken al zeker een jaar of vijftien tot twintig aan het verfijnen van het proces, met Cranfield University in het Verenigd Koninkrijk als een van de bekendste academische centra op dit gebied. Bedrijven als het Duitse Gefertec bouwen inmiddels kant-en-klare industriële WAAM-machines, wat erop wijst dat de techniek de fase van pure proefopstellingen voorbij is.
Toch blijven er stevige technische obstakels. Het snel afwisselend smelten en stollen van metaal veroorzaakt inwendige spanningen die onderdelen kunnen laten kromtrekken of scheuren, vooral bij grote, complexe vormen. De kwaliteit en sterkte van het materiaal kan per laag en per printsessie licht verschillen, wat lastig is voor toepassingen waar veiligheid cruciaal is, zoals vliegtuigonderdelen. Daarom is uitgebreide kwaliteitscontrole nodig, bijvoorbeeld met röntgen- of ultrasoonscans, en is certificering door toezichthouders een langzaam proces.
Ook de afwerking blijft een aandachtspunt: geprinte oppervlakken zijn ruw en moeten vaak nog gefreesd worden voor ze aan precieze maten voldoen, wat een deel van de tijd- en kostenbesparing weer tenietdoet. Voor grote, relatief eenvoudige metalen vormen waar gewicht en materiaalbesparing zwaar wegen, zoals scheepsonderdelen of bruggen, lijkt de techniek het verst ontwikkeld. Voor kleine, hoogprecieze onderdelen ligt poedergebaseerd metaalprinten voorlopig voor de hand.
Wie werken eraan?
Nederland speelt internationaal een opvallend actieve rol, met MX3D in Amsterdam en RAMLAB in Rotterdam als bekende voorbeelden, vaak in samenwerking met Nederlandse kennisinstellingen zoals de TU Delft. In het Verenigd Koninkrijk is Cranfield University een vooraanstaand onderzoekscentrum op het gebied van WAAM-materiaalkunde. Duitsland brengt met Gefertec een van de weinige gespecialiseerde bouwers van industriële WAAM-printapparatuur voort.
In de lucht- en ruimtevaartsector zijn Norsk Titanium (Noorwegen/Verenigde Staten), Airbus en Rolls-Royce namen die met de techniek experimenteren of haar toepassen voor structurele metalen onderdelen. Daarnaast onderzoeken defensie- en scheepsbouwsectoren in landen als de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk de techniek voor onderhoud op afstand: denk aan het printen van reserveonderdelen aan boord van een marineschip of op een afgelegen locatie, zonder dat een compleet nieuw onderdeel aangevoerd hoeft te worden.