Door onze unieke hightech competenties en de krachtige samenwerking tussen bedrijfsleven, onderwijs- en kennisinstellingen en overheden is Brainport Eindhoven uitgegroeid tot een economische kernregio. Samen realiseren we innovaties voor de maatschappelijke vraagstukken van vandaag en morgen.
Ondernemen & Innoveren 
"Hoe sterk zijn 3D-geprinte onderdelen?"
Dat is de vraag die de meeste ingenieurs stellen als ze 3D-printen overwegen. Het is immers cruciaal om te weten wat er mogelijk is met de tools die je tot je beschikking hebt. Het was ook deze vraag die ingenieurs van Ultimaker, Covestro en de Koninklijke Marine samen uitzochten. Maar niet op een conventionele manier...
De conventionele manier om de sterkte van een materiaal te meten is met behulp van een trekbank. Een klein monster wordt afgedrukt en onder een grote kracht gezet totdat het breekt. De op het onderdeel uitgeoefende kracht gedeeld door de oppervlakte van het snijpunt in het midden op het moment van breken drukt de sterkte uit.
Hoewel deze cijfers veel betekenen voor ingenieurs, is "eerst zien, dan geloven". Om mensen echt een beeld te geven van hoe sterk 3D-geprinte onderdelen kunnen zijn, zijn Covestro, de Nederlandse Koninklijke Marine en Ultimaker een unieke samenwerking aangegaan om iets serieus zwaars te tillen.
Maar wat zou werken? Gym gewichten? Een motorfiets? Een auto? Misschien een grote jeep? En toen vroeg de Koninklijke Marine:
''Waarom geen gepantserd voertuig?''
Om een zwaar voertuig op te tillen met behulp van een 3D-geprint onderdeel, moesten we eerst de hardware analyseren die we konden gebruiken.
De Koninklijke Marine beschikte over een speciale hijstank die twee openklapbare stalen ringen gebruikte om aan hun kraan te koppelen, en aan de kabels die aan het op te tillen voertuig vastzaten. Een langwerpige O-vormige verbinding zou deze twee metalen ringen kunnen verbinden en het zware voertuig kunnen optillen.
Na het importeren van de geometrie van de stalen ringen in de CAD-software, kon Ultimaker Application Engineer Lars de Jongh het eerste ontwerp voor de koppeling maken. Lars definieerde eerst de ontwerpeisen:
De Ultimaker Marketplace is gevuld met honderden materialen. Elk daarvan heeft een unieke combinatie van eigenschappen, waardoor de kans groot is dat uw onderdeel aan de gestelde eisen voldoet. Het materiaal voor deze test moest extreem sterk zijn, maar ook korte piekkrachten kunnen opvangen. Addigy® F1030 CF10 van Covestro voldeed aan de gestelde eisen. Dit op nylon gebaseerde polymeer is geladen met koolstofvezel en kan worden geprint met de Ultimaker S5 en CC-printkern.
Het 3D-printen van een massieve schakel van 2 kilo kost minder tijd dan het produceren met traditionele methoden. Door het aantal iteraties dat nodig was om de juiste geometrie te valideren, was tijd echter nog steeds een factor van belang. Daarom werd het ontwerp vóór het printen geoptimaliseerd met behulp van computersimulaties.
Covestro paste digitaal de krachten op het ontwerp toe met behulp van software die de exacte fysieke eigenschappen van hun koolstofvezel nylon materiaal kent. Door simulaties uit te voeren, konden we vaststellen waar het ontwerp moest worden aangepast en waar materiaal kon worden verwijderd. Zo ontstond een geoptimaliseerd ontwerp dat meer gewicht kon tillen en toch minder materiaal nodig had, wat resulteerde in een snellere productietijd met minder kosten.
Voordat we ons zware voertuig konden tillen, moesten we de berekende sterkte van het geprinte onderdeel fysiek verifiëren. Er werden twee ontwerpen gegenereerd voor twee maten. De eerste was een schakel van 1 kilo die volgens onze schatting 12 ton kon weerstaan. De tweede, die ongeveer 2 kilo woog, was naar schatting bestand tegen 38 ton. De Koninklijke Marine heeft ter plaatse een industriële trekbank die tot 343 kilonewton kracht op een voorwerp kan uitoefenen. Zowel de oorspronkelijke als de geoptimaliseerde versie werden getest voor de grote en de kleine versie.
Het geoptimaliseerde ontwerp kon een hogere kracht weerstaan, terwijl het een derde minder woog. Het verschil tussen de geteste resultaten en de gesimuleerde cijfers lag ook uiterst dicht bij elkaar, gemiddeld slechts 1% afwijking. Dit maakte deze workflow nauwkeurig en winstgevend in time-to-market en verhoogde prestaties.
Na maanden van ontwerpen, printen, testen en plannen was het tijd voor actie! Twee schakels stonden op het punt een echt militair zwaar voertuig op te tillen. Op een Nederlandse legerbasis in het zuiden van Nederland assisteerde de 13e Lichte Brigade ons met hun gepantserde bergingsvoertuig. Hun Leopard 2 "Buffalo" heeft een kraan aan de voorkant en is ontworpen om zware voertuigen zoals vrachtwagens en gevechtstanks te bergen.
Als opwarmertje werd de koppeling van 1 kilo gebruikt om een militaire versie van een Mercedes jeep van meer dan 2 ton op te tillen. Dit was geen enkel probleem: het voertuig werd moeiteloos opgetild. Daarna was het tijd voor iets groters.
De met koolstofvezel versterkte nylon schakel van 2 kilo werd tussen het M113-pantservoertuig en de Buffalokraan geplaatst. De metalen ringen werden vastgezet en vier kabels werden vanaf de onderste haak aan het voertuig bevestigd. De kraan begon langzaam omhoog te bewegen, waardoor de kabels en het 3D-geprinte onderdeel onder spanning kwamen te staan. Toen steeg het 12 ton zware voertuig langzaam omhoog, zwevend boven de grond, hangend aan een 3D-geprinte schakel! De Buffalo reed rond, achteruit, vooruit, draaiend, maar de link hield perfect stand. De samenwerking leverde een zeer geslaagd resultaat op.
Het project was niet alleen een succes vanwege de werkende koppeling. We hebben onderweg ook veel geleerd.
Het was verbazingwekkend om te zien dat CAD-simulaties een lange weg hebben afgelegd en niet alleen een vorm simuleren, maar nauwkeurige voorspellingen geven, rekening houdend met materiaal en zelfs vezelrichting. Kunnen vertrouwen op dergelijke hulpmiddelen is een groot voordeel voor ingenieurs.
Hoewel alle onderdelen werden geprint in goed onderhouden ruimten en de materialen niet werden blootgesteld aan vocht, was er toch een merkbaar verschil tussen versies die werden geprint in een droog magazijn en onderdelen die werden geprint met bewust gedroogde spoelen filament in een verwarmde, droge printruimte. Nylon absorbeert vocht en dat kan leiden tot zwakkere prints. Daarom is het heel belangrijk om de eigenschappen van materialen te kennen en er dienovereenkomstig mee om te gaan.
Een technisch gegevensblad vertelt u de sterkte van een materiaal in abstracte getallen. Maar als u ziet wat er kan worden bereikt met sterke en geoptimaliseerde 3D-geprinte onderdelen, is het gemakkelijker om de mogelijkheden van additieve technologie te begrijpen en inspiratie op te doen voor nieuwe en opwindende toepassingen.
