Schroefextruder: hoe plastic korrels het 3D-printen op grote schaal veranderen
Een schroefextruder is in de kern een machine die op een vleesmolen lijkt, maar dan voor plastic. In plaats van gehakt vlees stop je er plastic korrels (granulaat) in, en in plaats van worstjes komt er een gestage, warme, deegachtige straal plastic uit die direct kan worden gebruikt om iets te vormen. Een draaiende schroef in een verwarmde buis duwt het materiaal langzaam naar voren, waarbij het smelt door de combinatie van warmte en wrijving.
In de context van 3D-printen is dit een alternatief voor de bekende plastic draad (filament) die de meeste hobbyprinters gebruiken. In plaats van dunne draad te kopen, kun je met een schroefextruder goedkoop granulaat of zelfs versnipperd oud plastic direct verwerken tot printmateriaal. Dat maakt grootschalig printen — denk aan meubels, bootrompen of bouwonderdelen — een stuk betaalbaarder en sneller.
Wat is het precies?
Een schroefextruder bestaat uit een aantal vaste onderdelen. Bovenaan zit een trechter (hopper) waarin de korrels of het versnipperde plastic worden gestort. Daaronder ligt een lange, cilindrische buis (het vat of de 'barrel') met daarin een schroef die lijkt op een heel lange, strak gewonden boor.
Als de schroef draait, wordt het materiaal meegevoerd richting de uitgang. Onderweg verwarmen elektrische elementen rond de buis het plastic tot het smeltpunt, meestal tussen de 150 en 250 graden Celsius, afhankelijk van het type kunststof. De wrijving die de draaiende schroef zelf veroorzaakt, draagt ook bij aan het smelten.
Aan het eind van de buis zit een mondstuk (nozzle) waar de gesmolten plastic wordt uitgeperst. Bij 3D-printen wordt dit mondstuk net als bij een filamentprinter bewogen volgens een digitaal ontwerp, laag voor laag, tot het object klaar is. Het verschil is de schaal: een schroefextruder kan tientallen kilo's plastic per uur verwerken, terwijl een gewone filamentprinter vaak niet verder komt dan enkele honderden gram per uur.
Een belangrijk technisch detail is de verhouding tussen de lengte en de diameter van de schroef, aangeduid als de L/D-ratio. Een langere schroef geeft het plastic meer tijd om gelijkmatig te smelten, wat de kwaliteit van de print verbetert, maar de machine ook groter en duurder maakt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter de ontwikkeling van schroefextruders voor 3D-printen is kostenbesparing. Filament voor gewone 3D-printers is relatief duur omdat het al een bewerkingsstap heeft ondergaan: fabrikanten smelten granulaat en trekken het tot draad, verpakken het en verzenden het. Granulaat zelf is vaak vijf tot tien keer goedkoper per kilo.
Een tweede doel is snelheid. Voor grote objecten, zoals een matrijs voor een boot of een stuk gevelbekleding, is filamentprinten simpelweg te langzaam. Een schroefextruder kan veel meer materiaal per uur verwerken, waardoor printtijden van weken worden teruggebracht tot dagen.
Daarnaast speelt duurzaamheid een grote rol. Omdat een schroefextruder relatief ongevoelig is voor de exacte vorm van het uitgangsmateriaal, kan hij ook versnipperd afvalplastic verwerken. Dat maakt het aantrekkelijk voor recyclingprojecten: oud plastic wordt vermalen, door de extruder geduwd en krijgt zo een tweede leven als nieuw product.
Voorbeelden uit de praktijk
Een bekend voorbeeld uit Nederland is Precious Plastic, een open-source project dat ontwerper Dave Hakkens vanaf 2013 opzette. Onderdeel van de gereedschapsset is een schroefextruder waarmee mensen wereldwijd, vaak in kleine werkplaatsen, plastic afval vermalen en omvormen tot platen, draad of nieuwe voorwerpen.
Het Delftse bedrijf CEAD, opgericht in 2014, bouwt grootschalige printsystemen zoals de AM Flexbot die met schroefextrusie werken. Het bedrijf werkte onder meer samen met de Nederlandse scheepsbouwer Damen Shipyards aan geprinte mallen voor scheepsonderdelen.
In de Verenigde Staten ontwikkelden Cincinnati Incorporated en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) samen de BAAM-printer (Big Area Additive Manufacturing), voor het eerst gepresenteerd in 2014. Deze machine gebruikt schroefextrusie om grote onderdelen te printen, zoals matrijzen voor de auto-industrie.
De Advanced Structures and Composites Center van de University of Maine bouwde met een schroefextrudersysteem in 2019 de boot '3Dirigo', destijds gepresenteerd als een van de grootste 3D-geprinte objecten ter wereld, ruim 7,6 meter lang.
Het Amerikaanse bedrijf Thermwood produceert sinds het midden van de jaren 2010 zijn LSAM-serie (Large Scale Additive Manufacturing), die met pellets werkt en onder andere wordt gebruikt voor het printen van gereedschapsmallen in de lucht- en scheepvaartindustrie.
Hoe ver is de techniek?
Schroefextrusie zelf is geen nieuwe uitvinding: de techniek wordt al meer dan een eeuw gebruikt in de kunststofindustrie voor zaken als spuitgieten en het maken van buizen en folies. Wat wél relatief nieuw is, is de toepassing binnen 3D-printen, waar de techniek sinds ongeveer het begin van de jaren 2010 aan populariteit won.
Voor industriële toepassingen — het printen van mallen, prototypes en bouwonderdelen — is de technologie inmiddels behoorlijk volwassen. Bedrijven als CEAD en Thermwood leveren commerciële systemen die dagelijks in productieomgevingen draaien.
Voor kleinschalig of consumentengebruik ligt dat anders. Het consistent en gelijkmatig aanvoeren van korrels blijft een technische uitdaging: in tegenstelling tot filament, dat een vaste diameter heeft, variëren korrels in grootte en vorm, wat kan leiden tot ongelijkmatige extrusie. Daardoor zijn betaalbare, betrouwbare pellet-extruders voor thuisgebruik nog altijd schaars vergeleken met filamentprinters.
Bij het verwerken van gerecycled plastic speelt een extra probleem: gemengd of vervuild afval kan de printkwaliteit verlagen en de extruder sneller doen verslijten. Onderzoek naar het scheiden, zuiveren en consistent maken van gerecycled granulaat loopt nog, en is een van de grootste knelpunten om recycling via schroefextrusie op te schalen.
Wie werken eraan?
In Nederland zijn CEAD in Delft en het Precious Plastic-netwerk, ontstaan vanuit Eindhoven, de meest zichtbare namen. Ook diverse technische universiteiten, waaronder de TU Delft, doen onderzoek naar materiaaleigenschappen van geëxtrudeerde kunststoffen.
In de Verenigde Staten zijn Cincinnati Incorporated, Thermwood en Titan Robotics actief met commerciële grootschalige printsystemen. Onderzoeksinstituten zoals het Oak Ridge National Laboratory en de University of Maine's Advanced Structures and Composites Center voeren toegepast onderzoek uit, vaak met steun van de Amerikaanse overheid.
Daarnaast investeren grotere industriële spelers in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie in eigen onderzoek naar schroefextrusie, omdat zij baat hebben bij snellere en goedkopere manieren om mallen en prototypes te produceren. Concrete namen en resultaten uit dat bedrijfsinterne onderzoek zijn echter minder publiek toegankelijk dan die van gespecialiseerde printerbouwers.