Kan uw lasrobot 3D-printen?

Meer en meer bedrijven maken gebruik van lasrobots in hun productieproces. Maar in het weekend en ’s nachts staan ze vaak nog stil. Een interessante techniek om deze stilstandtijd efficiënt te benutten is WAAM. WAAM staat voor Wire and Arc Additive Manufacturing, met andere woorden de lasrobot kan getransformeerd worden in een 3D-printer die grote stukken kan bouwen. Een techniek die in Vlaanderen nog sterk onderbelicht is, maar daar wil het BIL verandering in brengen door middel van een praktijkgericht onderzoeksproject dat bedrijven inzicht geeft in hoe ze een willekeurige lasrobot kunnen ombouwen tot een WAAM 3D-printrobot. Een introductie.

Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) stelt gebruikers in staat om metalen stukken op te bouwen met standaardlasdraad en een standaardlasrobot. Deze techniek leent zich voor het maken van unieke componenten, kleine series of prototypes die een complexe (interne) geometrie vertonen of uit meerdere materialen bestaan. Uit onderzoekscentra in de ons omringende landen klinken alvast veelbelovende geluiden om deze techniek verder te gaan verkennen voor bijvoorbeeld het printen van reserveonderdelen voor offshore, maritieme toepassingen, ruimte- en luchtvaart, prototype herstellingen, alternatieven voor gietstukken… Er wordt gebruikgemaakt van een elektrische lasboog als warmtebron om de lasdraad te smelten en de component laag voor laag op te bouwen. WAAM brengt drie belangrijke voordelen met zich mee:

– Het gaan om standaardmaterialen, waardoor de WAAM technologie in feite kan worden gebruikt door elk bedrijf dat reeds over een industriële lasrobot beschikt. Dit opent heel wat nieuwe mogelijkheden voor bedrijven. Alle materialen die voor MIG/MAG-lassen in aanmerking komen, kunnen dienen.

– WAAM laat toe om medium tot grote metalen stukken te maken op een efficiënte manier, zowel op vlak van materiaal als op vlak van kosten. De techniek kenmerkt zich door een hoge materiaalefficiëntie (tot 90%), hoge depositiesnelheden (1 tot 4 kg per uur) en een betere energie-efficiëntie. Ze werpt zich dus op als een aantrekkelijk alternatief voor smeden en gieten, dankzij de kortere doorlooptijden en het feit dat er geen kosten naar matrijzen moeten gaan. In vergelijking met conventionele verspaningstechnieken, voegt WAAM 3D-printen nieuwe mogelijkheden toe op vlak van ontwerp.

– WAAM maakt het mogelijk om een werkstuk heel gericht te gaan opbouwen en bijvoorbeeld specifieke materialen toe te passen in zones waar slijtage of corrosie kan optreden.    

Al moet er wel nog meer onderzoek gebeuren om te zien hoe de verschillende materialen dan het beste samengesteld kunnen worden.

Met een eerste patent dat teruggaat tot de jaren 20 van de vorige eeuw, mag WAAM zich een van de oudste processen voor additive manufacturing noemen. Zoals alle moderne metaalbewerkingstechnieken, vertrekt WAAM ook vanuit een 3D-CAD-model. Dat wordt in laagjes van 2,5D gesneden. Voor elk van die laagjes wordt vervolgens een depositiepad gecreëerd en worden de lasparameters bepaald. Daaruit ontstaan een robotprogramma waarmee de lasrobot aan de slag gaat om een near-net shape stuk laag voor laag op te bouwen. Daarna kan nog een post-warmtebehandeling volgen of, indien er hoge eisen gesteld worden inzake dimensionele nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit, post-processing met behulp van klassieke technologie zoals frezen, draaien, slijpen… 

Dat kan overigens al gebeuren tijdens het depositieproces, mocht de bereikbaarheid moeilijker worden naarmate het stuk verder opgebouwd wordt. Er zijn verschillende technieken mogelijk. De meest populaire is MIG/MAG, maar er zou ook met de TIG-lastechniek gewerkt kunnen worden, met plasma of met EBF (electron beam freeform fabrication). 

Er zijn drie productiemogelijkheden. De minst verkende is die van de cobot. Omdat WAAM zijn troeven vooral kan uitspelen bij de productie van grotere stukken (traditionele technieken brengen hier zware kosten met zich voor gereedschappen en matrijzen), zal een cobot met WAAM aan boord vooral in onderzoeksinstituten dienen voor het printen van kleinere samples of voor draagbare oplossingen die de techniek kunnen demonstreren aan geïnteresseerden. De andere twee technieken bespreken we in onderstaande paragraaf.

De meest toegepaste optie is de standaardlasrobot. Doordat de lasrobot meerdere kilo’s materiaal per uur kan lassen, kan hij de kloof tussen conventionele verspaningstechnieken en 3D-printtechnieken op basis van poeders gaan vullen. Een gesloten robotsysteem zal het voordeel hebben dat de interface van de robot en de lasrobot 100% geïntegreerd zijn voor een snelle communicatie. Het is bovendien specifiek afgestemd op lassen.    

Een open robotsysteem, daarentegen, heeft het voordeel dat het post-processor bestand rechtstreeks naar de robot kan, zonder nood aan een extra conversie. De gebruiker kan dan ook vrij zijn lasbron kiezen. 

In principe kan elke standaardlasrobot aangepast worden voor WAAM doeleinden, op voorwaarde dat de robot geïntegreerd kan worden in de software die nodig is om het depositiepad te berekenen, en dat er een database beschikbaar is om de geometrie van de lasnaad af te toetsen aan de lasnaad.

Er bestaan tevens CNC-machines met WAAM functionaliteiten. In vergelijking met robots zijn ze makkelijker te automatiseren op vlak van temperatuur, meting en controle, geforceerde koeling… Verder bestaat er hybride platformen die ofwel bestaan uit een lasrobot en verspaningsrobot, ofwel hybride CNC-machines waarin lassen geïntegreerd zit. De voordelen van dergelijke hybride robotsystemen is de mogelijkheid om grote structuren te produceren door de robots bijvoorbeeld op rails te plaatsen. 

Daarnaast kunnen er na het neerleggen van elke laag of een aantal lagen verspaningstechnieken worden toegepast om de oppervlaktekwaliteit te verbeteren. Het zal de gebruiker ook in staat stellen om interne oppervlakken of oppervlakken die moeilijk te bereiken zijn wanneer het stuk volledig is afgewerkt, te bewerken. 

Deze platformen vergen wel de nodige aandacht om de positionering van elke robot telkens perfect te krijgen. In vergelijking met CNC-machines zal de dimensionele nauwkeurigheid een stuk lager liggen. 

Ten slotte moeten we hier ook nog hybride WAAM CNC-machines vermelden die WAAM combineren met vijfassige verspaningsmogelijkheden.    

WAAM workshop

Er beweegt momenteel wel wat rond Wire and Arc Manufacturing. Op donderdag 21 april vond het WAAM event plaats in het VDAB opleidingscentrum in Wondelgem. Een organisatie van de VDAB in samenwerking met RTC Oost-Vlaanderen en partners zoals Thomas More Campus De Nayer, Hoffmann Group, DMG MORI, Valk Welding, Belgische Instituut voor Lastechniek (BIL) en Open Mind. Meer dan 100 deelnemers konden er kennismaken met de technologie en de ontdekken tot welke opportuniteiten dit kan leiden in de eigen productie. 

De VDAB plant nog meer van dergelijke workshops om de techniek breder bekend te maken en deelnemers te inspireren met mooie praktijkvoorbeelden. Er staan er alvast gepland op 29 juni (Wondelgem), 7 september (Wondelgem) en 21 november (Heverlee).

Meer te weten komen over WAAM?
De VDAB start in september met een nieuwe opleiding rond WAAM. Luc De Blick, vakexpert lassen bij de VDAB: “We zien heel veel potentieel voor de Belgische maakindustrie. Met deze opleiding willen we deelnemers inwijden in alle aspecten van WAAM, zodat ze na afloop het volledige proces zelf kunnen beheersen. Van het ontwerp tot de simulatie, van het 3D-printen met lasrobot tot de afwerking op een vijfassige freesmachine. We gaan de stukken ook meten qua vorm en materiaal, zodat we de kwaliteit van het 3D-geprinte stuk naast die van een stuk dat met conventionele verspaningstechnieken tot stand gekomen is, kunnen leggen.” 

De opleiding richt zich tot graduaten en bachelors. “We mikken op een iets hoger profiel, omdat deze techniek een schoolvoorbeeld is van hoe alle schakels van de ketting in elkaar moeten passen. De verschillende afdelingen zullen moeten terugkoppelen naar elkaar, waar er optimalisatie nodig is. Geheel volgens de principes van Industrie 4.0.”

Wie interesse heeft, kan terecht op https://www.vdab.be/opleidingen/aanbod/O-AMI-310402/cursus/C-AMI-203823/3D-printing_met_lasrobot__WAAM_-WONDELGEM.