Duurzame materiaaltechnologie voor additive manufacturing Karel Van Acker, 2013.05.31 1
Enkele basisprincipes van duurzaam materialenbeheer
Bedrijven en maatschappij zijn zich meer en meer bewust van de afhankelijkheid van ons welzijn van materialen, een afhankelijkheid die onder druk staat door de (economische) schaarste van materialen en de milieu-‐impact van het winnen, verwerken, gebruiken en afdanken van materialen. Een duurzaam materialenbeheer zoekt deze druk te verminderen. Duurzaam materialenbeheer is een benadering die duurzaam gebruik van materialen en grondstoffen aanmoedigt, door het integreren van een reeks acties die bedoeld zijn om de negatieve effecten op het milieu te vermijden en om onze natuurlijk “kapitaal” (bronnen en omgeving) te beschermen doorheen de levenscycli van materialen, rekening houdend met economische efficiëntie en sociale rechtvaardigheid. (OESO definitie). De EU heeft in haar “roadmap to a resource efficient Europe” een aantal oplossingsrichtingen voor duurzaam materialenbeheer (DMB) voorop gesteld, samengevat als: recyclage, materiaalsubstitutie en duurzame ontginning. Hoewel er veel paden voor DMB bestaan, en een combinatie van verschillende paden onontbeerlijk zal zijn om tot een echte materiaaltransitie te komen, is de keuze van benadering die we maken niet neutraal. De eerste te volgen route is diensten te leveren aan de maatschappij met een minimum aan materialen om deze dienst te materialiseren, ook wel dematerialiseren genoemd. Dit gaat in de eerste plaats over nieuwe businessmodellen, zoals product-‐dienst-‐combinaties (poolen, sharen, leasen, outsourcen … ). Andere, zachtere vormen van dematerialiseren zijn materiaalintesifiëring in producten (bijvoorbeeld door meer functies in één product te combineren, of door producten met een langere levensduur), procesintensifiëring, verbeterde productdesigns. Een volgende route is deze van de hernieuwbaarheid van materialen: materialen die we gebruiken, moeten we zoveel mogelijk opnieuw kunnen gebruiken. Effectief en efficiënt gesloten materiaalkringen zijn noodzakelijk. Dit kan in de technosfeer, door producten te hergebruiken, materialen te herwinnen en te recycleren. Dit kan echter ook door gebruik te maken van de cycli in de natuur en biogebaseerde materialen te ontwikkelen, die geen bijkomende impact leggen op de leefomgeving. Levenscyclusanalyses tonen echter over het algemeen aan dat de impact van hergebruik, of van recycleren, vaak kleiner is dan van biodegradeerbare materialen. Een combinatie biogebaseerd, met recyclage achteraf (ipv biodegradatie) scoort dan logischerwijze nog beter. Recyclage kan pas efficiënt zijn indien de afdankingsfase en mogelijk gebruik in een volgende cyclus van in het design van het product is meegenomen ( design for recycling). Kringen sluiten is nooit waterdicht, dit is thermodynamisch gezien niet realiseerbaar. Er is steeds een zeker verlies aan materiaal of kwaliteit. Dit betekent dat het goed is om voor zeldzame materialen substituten te zoeken en in te zetten. Bij ontwikkeling van materialen en producten wordt daarbij aandacht gegeven aan de zogenaamde elementen van de hoop, die overvloedig beschikbaar zijn (d.i. C, N, O, S, Cl en Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Fe). Daarnaast verdient functionele substitutie bijzondere aandacht: dit is het verminderen van de milieudruk (in de eerste plaats energieverbruik) tijdens gebruik van materiaal, zoals bijvoorbeeld lichtgewicht materialen in transport en andere dynamische toepassingen. De laatste route is de nieuwe grondstoffen die toch nog noodzakelijk zijn, duurzaam te ontginnen. Hoewel weinig grondstoffen regionaal worden ontgonnen, kunnen bedrijven en consumenten hier onrechtstreeks invloed op uitoefenen door bijvoorbeeld het eisen van bepaalde duurzaamheidscriteria bij leveranciers.
KVA/KULEUVEN - paper.docx/V140407
2
Duurzaam materialenbeheer toegepast op AM
Deze algemene principes kunnen nu vertaald worden naar de bijdrage die additive manufacturing zou kunnen leveren aan duurzaam materialenbeheer. De meest voor de hand liggende bijdrage is in het “dematerialiseren”, meer bepaald in het verminderen van het materiaal-‐ of grondstoffenverbruik voor een bepaald product. Inherent aan de productiewijze is dat (ongeveer) enkel die hoeveelheid materiaal wordt gebruikt als er nodig is voor het materiaal, in tegenstelling tot andere verwerkingstechnieken. Voor metaal gebaseerd AM technologie is dit vandaag reeds zo, bij polymeer gebaseerd AM is er echter nog verbetering mogelijk. Verder is het ook een productietechniek waarbij minder verbruiksgoederen nodig zijn, zoals koelvloeistof of smeermiddelen, en wordt het maken van matrijzen overbodig. Minder materiaalverbruik is echter ook mogelijk door een verbeterd design, waarbij bijvoorbeeld holle structuren mogelijk zijn. Additive manufacturing (bijvoorbeeld laser cladden) zou in principe ook kunnen gebruikt worden voor herstellen van componenten, en in ieder geval wordt AM vaak ingezet voor het vervaardigen van vervangstukken of spare parts in complexere producten, zodat de levensduur van het geheel verlengt. De impact op de leefomgeving kan in verschillende fasen van een productcyclus worden gereduceerd. Evident is de mogelijkheid om lokaal producten te maken, terwijl het ontwerp gelijk waar ter wereld kan zijn gemaakt en digitaal verzonden. Zo worden enkel de bytes en niet het materiaal getransporteerd, en wordt de milieukost van het vervoer uitgespaard. Bovendien laat de enorme vrijheid in design toe om complexe stukken uit één geheel te maken, wat de supply chain vereenvoudigt: ipv van honderden verschillende onderdelen, die typisch ook in veel verschillende bedrijven worden gemaakt en geassembleerd, volstaat het één stuk via AM te maken, op één plaats. Een kanttekening moet gezet worden bij het energieverbruik tijdens de verwerking, die vrij hoog is in het geval van metalen. Verbeteringen tot 60% energieverbruik zijn echter mogelijk[1]. Bovendien is de energie-‐ inhoud van de metaalpoeders groot, hoewel er verdere ontwikkelingen zijn om op energie-‐efficiëntere (en goedkopere) manier bijvoorbeeld Ti poeder voor AM te maken. Verder bieden de enorme mogelijkheden in ontwerp van AM stukken kansen om producten te maken die efficiënter zijn in gebruik (functionele substitutie), zoals bijvoorbeeld speciaal gevormde matrijzen met koelkanalen die onmogelijk anders te maken zijn dan met AM. Hernieuwbaarheid van materialen gebruikt in AM is in principe mogelijk, maar dit is nog in het begin van ontwikkeling. Er kunnen zowel materialen worden gebruikt die recycleerbaar zijn, zowel als biogebaseerde materialen. Hierop wordt verder ingegaan in de paragraaf over trends in materiaalontwikkeling. Tenslotte heeft AM ook impact op de economische en sociale dimensie van duurzaamheid. Economisch is er ondermeer het vermijden van voorraden van producten, en de mogelijkheid om custom made te gaan werken. AM is geschikt om lokaal te produceren, dichter bij de klant en met een toegevoegde waarde voor de lokale economie, met andere woorden: AM kan een de-‐globalisatie van de materiële productie inluiden. Een negatief aspect van AM is het gevaar dat er rebound effecten zijn aan de mogelijkheid om op eenvoudige en goedkope manier allerlei gadgets te maken, met uiteindelijk een groter totaal materiaalverbruik als gevolg.
3
Huidige materialen voor AM en barriers
Momenteel is het palet aan materialen die geschikt zijn voor AM eerder beperkt. Over het algemeen worden slechts een 20-‐tal materialen commercieel gebruikt voor AM, wat in schril contrast staat met de bij benadering 50000 soorten materialen en legeringen.
KVA/KULEUVEN -‐ paper.docx/V140407
2/5
Hoewel AM het eerst ontwikkeld voor polymeren en meest wordt toegepast, zijn er maar weinig polymeren bruikbaar voor AM en is bovendien het mechanisme waarmee polymeer gesinterd wordt nog niet volledig begrepen. Het meest gebruikte polymeer tot op vandaag is nylon (PA12 en PA11), en in mindere mate polycarbonaat (PC) en polystyreen (PS). Producten uit PA12 gemaakt zijn bijna volledig compact, maar vertonen toch nog enkele poriën die zwakke punten zijn in de structuur. Dit heeft te maken met de viscositeit van het polymeer. De lage viscositeit die nodig is om bij het gedeeltelijk smelten van de polymeerkorrels de structuur goed te vullen, is niet compatibel met de vereiste om hoog moleculaire polymeren te gebruiken voor functioneel sterke producten. PA12 wordt vooral gebruikt voor stijve en harde structuren. Indien een elastisch product gemaakt moet worden, kan een polyester gebaseerd polymeer in AM worden gebruikt. Naast de vermelde polymeren wordt in AM ook wel PMMA gebruikt, maar dit is als binder voor metaal of keramische poeders, en wordt tijdens de verwerking terug uit de structuur ontbonden. Tenslotte kan het polymeer ook versterkt worden, vooral door glasvezels, Cu, Al of SiC. Op deze manier wordt een composiet bekomen met betere mechanische eigenschappen dan het zuivere polymeer. De tweede meest gebruikte materialenfamilie in AM zijn de metalen. Gekende voorbeelden zijn producten uit roestvast staal, aluminium en titaan (Ti6Al4V), maar ook cobalt chroom, gereedschapsstaal, goud, zilver.. De mogelijke variaties zijn hier op dit moment groter dan voor de polymeren, en zijn ook afhankelijk van het type proces dat voor AM wordt gebruikt (hier kan verder niet op ingegaan worden, een goed overzicht is te vinden in [2]). Het dient hier wel opgemerkt te worden dat nabewerking van het oppervlak vrijwel steeds noodzakelijk blijft, maar vooral afhankelijk is van de korrelgrootte van de gebruikte poeders. Verder is er ook een omgekeerd verband tussen dichtheid van het metallisch stuk en productiviteit van AM om het stuk te maken. Keramische materialen zijn bijzonder interessant om door AM vormgegeven te worden, omdat andere bewerkingstechnieken vaak moeilijk zijn. Toch staat additive manufacturing van keramische materialen veel minder ver dan van polymeren en metalen. Hoewel AM de laatste jaren een enorme groei gekend heeft in toepassingen, zijn state-‐of-‐the-‐art AM technologieën nog maar in staat om aan alle technologische vereisten te voldoen voor ongeveer 5% van de onderdelen in de luchtvaart en auto-‐industrie, ongeveer 7% in de energie-‐industrie en 15 à 20% in de huishoudtoestellen[3]. AM experten wereldwijd zijn het erover eens dat de grootste technologische barrières voor de grootschalige doorbraak van AM in de maakindustrie, luchtvaart, auto-‐ en medische industrie zijn: • het gebrek aan een breed palet aan materialen reeds beschikbaar voor AM, nood aan legeringen die gedesigned zijn voor AM • onvoldoende en niet consistente materiaal en product eigenschappen (met variaties van machine tot machine) • trage ontwikkeling van nieuwe materialen, nood aan predictieve modellen • nood aan betere geïntegreerde procescontrole en modellen om interactie machine/materiaal bij te sturen • lage productiesnelheden Een beter inzicht in de interactie tussen materialen en verwerkingsprocessen (in casu AM) is een eerste voorwaarde om deze barrières te kunnen wegwerken.
KVA/KULEUVEN -‐ paper.docx/V140407
3/5
4
Trends in materiaaltechnologie voor AM
In het algemeen is er een trend van convergentie tussen wetenschapsdomeinen en technologieën. In de allereerste plaats is het duidelijk dat materiaalontwikkeling en ontwikkeling in verwerkingsmethoden dichter bij elkaar komen en hand in hand moeten gaan. Meer algemeen wordt ook veel gesproken over de convergentie tussen nano-‐technologie, bio-‐technololgie, informatie-‐technologie en cognitieve wetenschappen. Als productieplatform met enorme flexibiliteit in design, lijkt AM geschikt om deze convergentie verder gestalte te geven en die verschillende disciplines te integreren in één product [4]. Een laatste algemene trend in materiaaltechnologie is deze naar groene en duurzame materialen. De ontwikkeling van biogebaseerde en recycleerbare materialen is niet specifiek voor AM, maar is zeker ook aanwezig. AM kan echter wel een grote rol spelen in meer lokale, gesloten materiaalkringen en duurzamere producten. Naast deze trends in materialen voor AM, zijn er uiteraard ook trends in de AM technologie zelf, businessmodellen en IP, en is er bijvoorbeeld een duidelijke trend om prioritair meer aandacht te besteden aan het benutten van de designmogelijkheden met AM. Hieronder worden enkele trends specifiek voor materiaalontwikkeling verder besproken.
4.1 Verbreden palet materialen, specifiek voor AM Wil AM als technologie volledig doorbreken, dienen er meer materialen beschikbaar te komen voor gebruik met AM. Materialen worden niet as such ontwikkeld, maar samen met en gericht op de verwerkingstechniek. Een goed voorbeeld van dergelijke geïntegreerde ontwikkeling is het SIM STREAM programma. Deze materiaalontwikkeling richt zich in eerste plaats op specifieke mono-‐materialen of legeringen. Bij de polymeren is er bijvoorbeeld heel wat onderzoek en ontwikkeling om ook andere semi-‐kristallijne polymeren (naast PA), zoals polyethyleen (PE), inzetbaar te maken. Verder is er ook ontwikkeling in PEEK en PCL, die interessant zijn omwille van hun biocompatibiliteit [2]. Bij metaallegeringen wordt onderzoek gedaan op de met AM moeilijker te verwerken materialen zoals bijv. koper. Daarnaast is er een trend om meer hybride materiaalsystemen te ontwikkelen, zoals composietmaterialen met glasvezels of keramische deeltjes, en “functionaly graded” waarbij de samenstelling geleidelijk verandert naar het oppervlak of specifieke sites in het product toe, om ze lokaler slijtvaster, harder, slijtvaste, corrosiebestendiger, … te maken. Op deze manier kunnen producten gemaakt worden met precies die specifieke eigenschap waar deze gewenst is.
4.2 Biocompatibiliteit en biomaterialen AM wordt nu reeds gebruikt in biomedische toepassingen en vindt er zelfs een grote markt. De toekomstige mogelijkheden zijn echter nog veel groter. AM is zeer geschikt om implantaten te maken, met een geschikte sterkte en porositeit en biocompatibel gemaakt voor het bevorderen van celgroei. Er is ook onderzoek naar zogenaamde “bio-‐printers” waarbij menselijk weefsel rechtstreeks wordt geprint en op lange termijn kan gebruikt worden voor het printen van organen. De kunst is om geprinte cellen lang genoeg in leven te houden om weefsels te vormen. Vaak houden geprinte lagen van cellen het niet lang genoeg vol om daadwerkelijk functionerende weefsels te vormen. Het systeem zou goed genoeg werken om organen te kweken met bloedvaten en orgaanspecifieke cellen, maar de ontwikkeling heeft nog een lange weg te gaan. Een andere toepassing is printen van voedsel. Door bijvoorbeeld vet, eiwitten en suiker te printen, gecombineerd met water, kleurstof en aroma's zou je (bijna) elk product kunnen maken. Dit kunnen
KVA/KULEUVEN -‐ paper.docx/V140407
4/5
producten analoog aan bestaande voedingswaren zijn, maar het biedt ook de mogelijkheid om bijvoorbeeld smakelijke en aantrekkelijke vleesvervangers te maken van eiwitten uit algen. Hiermee zou de vleescomnsumptie drastisch kunnen veranderen.
4.3 Nanomaterialen Een voorbeeld van nieuwe opportuniteiten is AM van nanocomposieten. Metallische nanodeeltjes kunnen bijvoorbeeld zorgen voor een lagere sintertemperatuur (lagere temperatuur van productie), grotere dichtheid en minder krimp, en kan dus de kwaliteit en efficientie van AM verbeteren. Koolstof nanobuisjes kunnen maken dat het product betere mechanische eigenschappen heeft, en tegelijkertijd beter elektrisch en thermisch geleidbaar. Keramische nanodeeltjes kunnen toegevoegd worden omwille van de mechanische eigenschappen en slijtageweerstand.
4.4 Recycleerbaarheid en duurzaamheid Hoewel AM beschouwd wordt als een materiaalefficiënt proces, is de recycleerbaarheid van het gebruikte poeder eerder laag. Dit is vooral zo bij polymeren, omwille van de invloed van veroudering op het gedrag van het poeder tijdens verwerking. Verdere materiaalontwikkeling wil hier aan tegemoetkomen, en dit voordeel van AM ten volle benutten. Meer nog, AM heeft het potentieel om een “zero-‐waste” verwerkingsproces te zijn voor een brede waaier aan structurele en functionele toepassingen met een gereduceerde LCA impact en met de mogelijkheid om de kringlopen effectief lokaal te sluiten. Referenties: 1. Frazier, W., Direct Digital Manufacturing of Metallic Components: Vision and Roadmap. 2010: p. 717-‐732. 2. Kruth, J.P., et al., Consolidation phenomena in laser and powder-‐bed based layered manufacturing. Annals of the CIRP, 2007. 56. 3. EU FP7 project DirectSpare, Generic roadmap for spare parts markets, 2012. 4. Campbell, T., et al., Could 3D Printing Change the World? -‐ Technologies, Potential, and Implications of Additive Manufacturing, in Strategic Foresight Report2011, Atlantic Council.
KVA/KULEUVEN -‐ paper.docx/V140407
5/5
