OMSLAGVERHAAL  
Maintenance Magazine 157 – september 2022

3D-printen met metaaldraad

De Gentse start-up Guaranteed biedt twee verschillende 3D-print booglasprocessen aan voor herstel én productie van grotere en kleinere metalen componenten: MIG/MAG-lassen voor koolstofstaal en rvs én plasmalassen voor titaan, aluminium, inconel … Daarmee mikt het niet alleen op de staalindustrie en de transportsector maar ook op olie en gas en zelfs aerospace.

Door Luc De Smet

Guaranteed kiest voor de Wire & Arc Additive Manufacturing technologie (WAAM) waarmee het vooral grotere stukken herstelt/fabriceert. Dit 3D-printen stapelt lasrupsen op elkaar en gebruikt daarbij standaardlasrobotten, metaaldraad voor materiaaltoevoer en een elektrische lasboog of plasma als warmtebron.

Aanbod groter en gevarieerder

Vaak gaat het om componenten die beduidend groter zijn dan het bouwvolume van de grootste poederbedprinters. Bovendien is een lasdraad tot tien keer goedkoper dan metaalpoeder. Lasdraad wordt immers gebruikt voor conventioneel lassen. Het aanbod is dan ook groter en gevarieerder dan dat van metaalpoeder. Ook de printsnelheid is veel hoger dan met poeder. Met de lasdraad kan vandaag reeds tot 10 kg per uur neergesmolten worden. Dat is 100 tot 1.000 keer meer dan met poeder. Het kostenplaatje ziet er voor de klant dus anders uit. De start-up huist op het terrein van ArcelorMittal in Gent, net buiten het grote onderhoudsatelier. “Volgende week komen er vijf containers bij”, zegt CEO Joachim Antonissen (46 ). Vier boven en eentje naast de drie die er al stonden. Het team telt vandaag een negental medewerkers en twee deeltijdse externen. “We werven dit jaar nog een kwaliteitsmanager aan. Tegen eind dit jaar zijn we dus met een tiental mensen.” Groeien is de opdracht die het midden 2019 opgerichte bedrijf van zijn aandeelhouders ArcelorMittal, OCAS en Finindus meekrijgt.

Van just in case naar just in time

“Uit vroege gesprekken met industriële contacten leerden we dat bedrijven heel veel wisselstukken nodig hebben om continu te draaien.” Gaat het om unieke giet- en smeedstukken dan kan je maar best enkele reserve exemplaren op het schap liggen hebben. Je weet maar nooit. “Hier op de site gaat het bijvoorbeeld om een voorraad van grosso modo 100 miljoen euro. De enige reden voor zo’n voorraad is de lange lead time. Als je van ‘just in case’ naar ‘just in time’ schuift, kan je besparen.” Met 3D-printen kan men van een fysiek naar een digitaal magazijn. Antonissen wijst naar het Noorse Equinor dat de ambitie formuleerde om zijn inventaris instroom met 13 tot 20% te verminderen. Twee jaar geleden vloog Equinor trouwens met een drone van Nordic Unmanned voor het eerst een 3D-geprint wisselstuk naar een offshore boorplatform. Innovatie troef. Maar ook de Franse spoorreus SNCF en zijn Duitse evenknie Deutsche Bahn, bijvoorbeeld, willen hun magazijnen reduceren.

Slim herstellen

Een tweede problematiek waar meer mature industrieën tegenaan botsen, is die van de ‘obsolete’ onderdelen. “Wanneer een stuk faalt, moet je daardoor soms niet alleen de component maar de hele installatie vervangen.” Via reverse engineering kan een CAD-bestand gemaakt worden van het stuk dat vervolgens 3D-geprint wordt. Als dat bovendien lokaal kan gebeuren, is tegelijk de logistieke drempel genomen. Als een complex of groot stuk faalt, is het bovendien vaak slechts een kleine fractie daarvan die onderuit gaat. Met 3D-printen is slim herstel mogelijk, zodat niet het hele stuk dient vervangen te worden maar enkel de zone die faalt. “3D-printen in herstel kent dus drie motoren: kostenreductie, lead time reductie en materiaalkostreductie”, somt Antonissen op. Steevast komen die ook met minder CO2-emissies.

Pilots met recurrentie

ArcelorMittal, OCAS en Finindus richtten midden juli 2019 Guaranteed op. De drie aandeelhouders identificeerden verschillende cases die de business een gezonde mate van recurrentie waarborgden. Deze pilots zijn ondertussen volledig operationeel. Een eerste pilot betreft het herstellen van steunrollen voor de staalproductie. In een continugieterij wordt het vloeibare staal tot een slab gegoten. Het ‘rechten’ (in horizontale stand brengen) van die semi-vloeibare slab vergt steunrollen. Anders ontstaan er scheuren in de slab en bestaat het risico dat er vloeibaar staal uitvloeit. Eén enkele installatie telt tientallen dergelijke ondersteuningsrollen. “De rol heeft een centrale asboring en koelboringen naar de zijkanten. Klassiek wordt dit circuit gesloten met een pastille die in de zijgaten geslagen wordt en vervolgens vastgelast. Dat leidt in bepaalde gevallen tot scheuren en dus lekken. Al decennia kampt de industrie met dit probleem”, licht Antonissen toe. “Met onze technologie lassen we domes op de zijgaten.” Typisch moet een gieterij jaarlijks honderden dergelijke rollen vervangen. “We hebben al een honderdtal rollen met zestien domes per rol verzorgd.” De tweede pilot bij een Noorse klant in de maritieme sector betreft een hybride excentrisch drijfwiel met pin in hoogsterkte staal dat typisch uit één stuk matrijs gesmeed wordt. De klant zou een 900-tal stukken per jaar kunnen verzetten maar door de vele logistieke problemen in de industrie kan hij slechts aan de helft van de vraag tegemoetkomen. Met de 3D-printing benadering was een redesign mogelijk. “Wij vertrekken van een standaardplaat die makkelijk te vinden is, maken een pocket en printen de pin in HS-staal (ER100) erop”, aldus Antonissen. Het materiaal is volledig mechanisch gekarakteriseerd en het stuk kreeg ondertussen al een DNV class approval voor maritieme onderdelen. Omdat van commodity plaatmateriaal vertrokken wordt, is dit goedkoper dan een all-in-one smeedstuk. Bovendien met een lead time van weken in de plaats van maanden. “Zo kan de klant al zijn klanten beleveren. Met een Engelse universiteit is een levenscyclusanalyse gemaakt. Deze hybride productie zorgt voor de helft minder CO2-emissies. In een volgende stap gaan we zelfs naar serieproductie.”

Op twee benen lopen

Guaranteed loopt eigenlijk op twee benen. In eerste instantie trekt het de herstelmarkt op, terwijl het in bepaalde sectoren ook nieuwe onderdelen zal aanleveren. Zo bouwt het voor een aerospaceklant een prototype onderdeel voor een lander. Het gaat om een stuk in titaan van 2,5 m. Dergelijk stuk conventioneel machineren, resulteert in >90% materiaalverlies. “Onze installatie kan dat printen met slechts een fractie materiaalverlies. We zorgen dus voor een betere ‘buy to fly’ ratio. In deze sector gaat het om langere aanlooptrajecten maar eenmaal binnen, zijn het typisch ook langetermijncontracten. We gaan dus voor ‘direct repair’ en herstellen stukken in hun originele staat. Refurbishment doen we ook, waarmee kleine verbeteringen aan het design aangebracht worden of waarbij we twee verschillende materialen gebruiken om de standtijd op te trekken. New parts en optimalisaties staan eveneens op de roadmap”, zegt Antonissen die het belang van de intellectuele (design)rechten op de oorspronkelijke stukken beklemtoont. “Op stukken met IP proberen we in driehoek te werken met de OEM en de klant. We steken de OEM nooit voorbij.”

Kritische elementen in proces

De up-take van 3D-printing verschilt van sector tot sector. “Veel potentiële klanten willen leren en begrijpen wat voor hen belangrijk is. Ze hebben niet de ambitie om zelf te gaan 3D-printen en rekenen op bedrijven als het onze.” Kritische elementen in het proces zijn de metaaldraad, de laspost, de robot, het lasgas … “We gebruiken een beperkt aantal gekende grote leveranciers.” Aankopen in afstemming met ArcelorMittal zorgen voor schaalvoordeel. “Onze investeringen richten we op kennis en kwaliteit om ‘first time right’ te kunnen produceren”, zegt Antonissen. Printen met metaaldraad zet op korte tijd veel metaal neer, maar vergt vervolgens nog nabewerking. Dankzij service level agreements met de aandeelhouders kunnen we intern heel veel verzorgen. Slijpen, frezen maar ook gloeibehandelingen, bijvoorbeeld.”

Satellieten en mobiele installaties

Guaranteed heeft reeds expansieplannen. Er lopen preliminaire gesprekken met partijen in verschillende werelddelen om in partnership lokale 3D-printinstallaties uit te baten. “Het idee is de technologiehub hier te houden om met een lokale partner samen te werken rond de satellietinstallaties.” Guaranteed bouwde ook een mobiele installatie. Dat gebeurde in het MARS (Mobile Additive Repair Service) EU-onderzoeksproject via EIT (het European Institute of Innovation & Technology) waarin het de enige partner was. De hele installatie past in een standaardluchtvaartcontainer. Op een etmaal kan die bij de klant aan de slag zijn. “De machine kan rechtstreeks op de te herstellen component gezet en mechanisch verankerd worden.” Zo hoeft die component niet eens gedemonteerd of uit de installatie gehaald te worden. Een robot heeft vooralsnog te weinig stijfheid om nauwkeurig te verspanen en af te werken. Dat kan wel met een machineerkop op een spindelsysteem. “We zijn in gesprek rond enkele demoprojecten.” Het mobiele prototype is er. Het is kwestie van tractie te vinden in de markt. “We verwachten mettertijd vier à vijf installaties in parallel aan de slag te hebben. Sommigen zullen dan wellicht eerder vrij permanent op kritische plaatsen lopen. Anderen zullen eerder als noodinstallatie brandjes blussen.”

Groei is de uitdaging

Vaak wordt voor additive manufacturing het walhalla voorspeld. Guaranteed verdubbelde de voorbije drie jaar zijn omzet (2021: 700.000 euro). “We zouden het graag sneller zien gaan”, geeft Antonissen toe. Hij ziet wel een significatie marktversnelling sinds september 2021. “We krijgen ook regelmatiger een vraag naar kleinere series. Onze grootste uitdaging is onze groei. Medewerkers zijn metallurgen en mensen met een lasachtergrond. Jaarlijks studeren er daarvan maar een handvol af in Vlaanderen.” De war for talent, dus. Antonissen vreest de concurrentie niet. Het neerlassen van metaalrupsen is een andere technologie dan het lasercladden van metaalpoeder. “Onze technologie biedt andere opportuniteiten. Met metaalrupsen kan je bovendien iets opbouwen in het luchtledige, zonder support.”

Automatisatie van de installatie

Guaranteeds productieapparaat is uniek. De productiecel, die van bij de start dubbel werd uitgevoerd, meet 10 m x 6 m x 5 m. Stukken tot 20 ton kunnen er gemanipuleerd worden. Beide vijfassige Kuka robots lopen links en rechts op een lineaire track. De linkse plasmakop zet titaan, aluminium en nikkelgebaseerde materialen neer. Met een snelkoppeling kan een inductietoestel op de robotarm gemonteerd worden om stukken voor of na te warmen. De rechtse robot loopt op Fronius CMT (Cold Metal Transfer) lastechnologie die weinig warmte-inbreng garandeert. Tussen beide robottracks staan de manipulatoren. De cel wordt bewaakt door twee camera’s waarvan de beelden verschijnen op het scherm van de operator in de veiligheidskooi vooraan in de cel. “Via VPN kunnen we ook remote werken.” Op de manipulator staat een lascamera die met een groot spectraal bereik het gedrag van het lasbad registreert. “We willen het proces automatiseren met beeldherkenning. In het EU-project SmartWAM bestuderen we hoe ook andere sensoriek, zoals auditieve signalen, scan data … hierbij is in te zetten. We willen ook onze kennis een stuk automatiseren.” Er wordt een magazijn met 3D-tekeningen van componenten opgebouwd om de stukken te identificeren die de meeste opportuniteiten bieden voor AM. “Voor de poederbedtechnologie bestaan er al algoritmen maar die zijn er nog niet voor onze lasboogtechnologie. Zo’n algoritmen bouwen op ERP-data. Een eerste screening is technologie-agnostisch. Een tweede screening koppelt CAD en Artificiële Intelligentie.” De richting is aangegeven.