Met behoudt bulkeigenschappen PEEK

Isotroop en ‘voidless’

Bond3D presteert met eigen PEEK-printer

Tegenwoordig is bijna elk materiaal te printen en dan kan een highperformance thermoplastisch polymeer als PEEK niet achterblijven. Vanwege de hoge viscositeit in gesmolten staat en de anisotropie van conventioneel geprinte producten, is printen van hoogwaardige PEEK-producten echter een uitdaging. Bond3D ontwikkelde een drukgestuurd printprocedé dat de gunstige bulkeigenschappen van PEEK behoudt. Het Enschedese bedrijf bouwt nu printers, niet voor de verkoop maar voor productie – ondersteund met applicatie-engineering – in eigen huis. Voor de toekomst staan printfabrieken in Amerika en Azië op de kaart.

PEEK (polyetheretherketon) is als high-performance thermoplastisch polymeer geliefd vanwege zijn brede scala aan gunstige eigenschappen: lichtgewicht, hoge sterkte, chemische resistentie, thermische stabiliteit (van –50 tot +150 °C) en biocompatibiliteit. Het vindt daarom toepassingen in uiteenlopende markten, zoals halfgeleiders, medisch, ruimtevaart, energie en automobielindustrie. Ontwerpers willen de gunstige eigenschappen van PEEK maar wat graag combineren met de vormvrijheid die printen biedt. Vandaar dat er al jaren veel energie wordt gestoken in het 3D-printen van PEEK en het ontwikkelen en bouwen van PEEKprinters. Eind vorig jaar op de Formnext in Frankfurt (D), een prominente beurs voor additive manufacturing, waren die printers in allerlei soorten en maten te bewonderen.

Eigen businessmodel Een opvallende debutant op Formnext was Bond3D uit Enschede, dat ook een 3D-printer voor PEEK heeft ontwikkeld. Het is zelfs een unieke printer, zo claimen ze, die werkt volgens een drukgestuurd printprocedé. Daarmee blijven de high-performance eigenschappen van PEEK behouden in eindproducten die isotroop en ‘voidless’ zijn. Bond3D verkoopt echter geen PEEKprinters, maar baseert zijn businessmodel op het printen van PEEK-producten en het ondersteunen van klanten bij ontwerp en printvoorbereiding. Daarbij bouwt het op de samenwerking met een van ’s werelds grootste PEEK-producenten, het Britse Victrex, dat in 2019 investeerde in Bond3D om de start-up te helpen de stap naar de markt te zetten. In de relatie is sprake van tweerichtingsverkeer, vertelt Marc Kunst, manager sales & business development bij Bond3D. “Victrex levert ons het materiaal en komt met leads; zij zijn immers al 35+ jaar actief in deze markt. Omgekeerd, wanneer wij business development met klanten doen, schakelen we Victrex in als materiaaldeskundige.”

Vrijgave techniek Beursbezoekers waren enthousiast eind vorig jaar, aldus Kunst. “Sinds 2014 hebben we in een techniekbubbel gezeten, nu zijn we voor het eerst actief naar de markt gestapt. Met leads die de afgelopen twee jaar al via Victrex bij ons kwamen, hebben we ontwikkelprojecten gedaan, proto’s geprint en gewerkt aan de vrijgave van onze techniek; we zijn nu in het stadium van seriematig produceren. Het was dan ook een fijne bevestiging die we op de beurs kregen, dat er geen andere partijen zijn die een printer hebben met dezelfde capabilities als de onze.” Vanwege de gunstige eigenschappen van PEEK die in het procedé behouden blijven, concentreert Bond3D zich op kritische functionele delen. “We hebben drie focusmarkten: semiconductor, medical en energy; daarnaast doen we ook wat voor automotive en industrial.”

Formule 1 In de semicon is lichtgewicht – bij vervanging van metaal door PEEK in een product – van belang, verklaart Kunst. “Net als het feit dat onze producten de eigenschappen behouden van het bulkmateriaal, dat engineers al kennen. Als specifieke applicatie maken we veel manifolds (voor de verdeling van vloeistofstromen, red.), vanwege de lekdichtheid van onze voidless producten en de chemische resistentie van PEEK.” In de energiemarkt wordt PEEK al sinds jaar en dag gebruikt in de olie & gas, vanwege de chemische resistentie. Kunst toont een onderdeel voor een energiezuinige oliepomp dat van het harde, lastig te bewerken super duplex roestvaststaal wordt gemaakt. “Wij kunnen het veel sneller in PEEK printen en gaan nu ook

Drukgestuurd printen

Een veelgebruikte printtechniek als FDM (fused deposition modelling) werkt flowgestuurd. Met een constante flow worden laagsgewijs banen ‘gelegd’ door verhit materiaal uit de printkop te extruderen. Het risico is dat die banen niet helemaal aansluiten (onderextrusie) of dat er juist te veel materiaal wordt geprint (overextrusie). Er kunnen holtes (‘voids’) in het product ontstaan en dat effect wordt nog versterkt doordat banen in opeenvolgende lagen vaak kruiselings worden geprint (in de x- en de y-richting). Vervolgens sluiten die lagen in de z-richting (de richting waarin het product laagsgewijs wordt opgebouwd) vaak niet volledig op elkaar aan. Het geprinte product heeft daardoor in die richting een lagere treksterkte en is dus anisotroop in zijn materiaaleigenschappen.

Hoogstandje

Het printprocedé van Bond3D werkt eveneens laagsgewijs, maar is drukgestuurd. De printkop heeft

Flowgestuurd printen, met het risico van onderextrusie (links) of overextrusie (rechts).

Drukgestuurd printen met altijd precies 100% vulling, of de te vullen ruimte nu smal (links) of breed (rechts) is. Dwarsdoorsnedes van een product dat flowgestuurd (boven) dan wel drukgestuurd (onder) is geprint.

een ingebouwd mechanisme voor drukmeting, om te bepalen wanneer de ruimte onder de nozzle is gevuld. Nadat eerst de contouren van het gewenste product in een laag flowgestuurd zijn geprint, wordt de ruimte tussen die banen vervolgens drukgestuurd precies voor 100 procent opgevuld. Er ontstaan dus geen holtes en de materiaaleigenschappen zijn in alle richtingen gelijk, vergelijkbaar met de bulkeigenschappen. Het procedé, geïncorporeerd in een printer als mechatronisch/regeltechnisch hoogstandje, levert producten op die isotroop zijn en ‘voidless’ – gatloos, gatenloos of holteloos klinkt toch wat vreemd, vandaar de Engelse term.

nog eens het design optimaliseren.” Tim Veldhuis, application development engineer, vult aan: “Hier zie je goed de combinatie van printen en nabewerken. Voor vlakken die functioneel zijn, omdat ze moeten afsluiten, printen we iets extra materiaal en dat frezen we vervolgens glad op maat af. Zo hebben we het beste van beide werelden en dat kan alleen omdat ons product voidless is. Als het dat niet was, zouden er bij frezen gaten in komen, waardoor het niet meer zou afsluiten.” Kunst vervolgt: “Maar voor de energietransitie, denk aan brandstofcellen en electrolyzers voor waterstof, is PEEK eveneens interessant omdat het ook nog eens hittebestendig is.” In de medische wereld tellen dan weer de gunstige mechanische eigenschappen van PEEK en de vormvrijheid die 3D-printen biedt, zoals bij een ‘spinal cage’. Veldhuis: “De mooiste ontwerpen zijn die waarin we onze usp’s, zoals sterk, lekdicht en hittebestendig, kunnen inzetten. Persoonlijk vind ik Formule 1 klanten het leukst. Via Victrex zijn al meerdere racing teams bij ons gekomen. We werken voor

hen aan de validatie van ons proces en printen ook al sterke, gewichtsbesparende producten die niet op een andere manier zijn te maken. Helaas mogen we er verder niks over vertellen.”

Meer printers Nu Bond3D actief de markt gaat bewerken, is het tijd een volwassen printfabriek in te richten in Enschede. Komend jaar wordt het aantal printers er verdubbeld, van acht naar zestien. De ambitie is om in de verdere toekomst in Amerika en Azië hubs neer te zetten, dichter bij klanten daar. Tegelijk blijft men werken aan doorontwikkeling van de printer, meldt operational manager Arry Wegdam. “We willen de robuustheid nog verder verbeteren en machines geschikt maken voor bepaalde markten. Bijvoorbeeld voor de semicon een printer die extra schoon werkt en voor de medische markt een speciale printer die voldoet aan de requirements van bijvoorbeeld de FDA (Amerikaanse certificeringsinstantie voor voedings- en medische producten, red.). Of printers die op hogere snelheden of hogere temperaturen werken, wat de markt maar vraagt; of voor grotere producten (dan het huidige bouwvolume van 400 bij 400 bij 400 mm toelaat, red.).” Daarnaast werkt Bond3D aan een printer met meerdere printkoppen, om materialen te kunnen combineren bij het printen van een product. In eerste instantie gaat het om de combinatie van PEEK met carbonfiber of een elektrische geleidende PEEK-variant, in de verdere toekomst wellicht ook heel andere materialen.

Een ‘spinal cage’, ter vervanging van een versleten tussenwervelschijf in de rug, wordt vaak van titanium of PEEK gemaakt. PEEK scoort beter op biocompatibiliteit – op het ruw geprinte vlak aan de voorkant kan menselijk bot makkelijk aangroeien – en mechanische eigenschappen, vergelijkbaar met die van menselijk bot. De Britse PEEK-producent Victrex was op dit gebied al actief en zag kansen om zijn positie met 3D-printen van deze producten (vormvrijheid!) te versterken; vandaar de investering in Bond3D. De twee partijen gaan nu voor FDA-goedkeuring en hopen met hun product in 2023 voor het eerst in het menselijk lichaam te zitten.

Kennis in eigen huis Het bedrijf telt inmiddels zo’n zeventig medewerkers. Wegdam: “Dit jaar groeien we naar bijna 100 mensen en daarmee passen we nog net in het Demcon Technology Center waar we nu zijn gevestigd. Op de productievloer kunnen we nog uitbreiden naar 45 printers.” Alle medewerkers zijn nu bij Bond3D in dienst, nadat de start-up in de eerste jaren nauw samenwerkte met technologie-ontwikkelaar en -producent Demcon. “In 2018 zijn we begonnen alle mensen in

In de strak ingerichte productiehal van Bond3D (“ook die moet high performance uitstralen”) staan de PEEK-printers. Ze zijn alleen bestemd voor eigen productie, niet voor verkoop; dit jaar wordt hun aantal verdubbeld. Er is ruimte voor groei tot 45 printers.

Deze statische mixer wordt in de chemische industrie gebruikt. Als vloeistoffen door dit exotisch gevormde product stromen, ontstaat er turbulentie en dat bevordert de menging. Voorheen werden losse metalen onderdelen in elkaar geschroefd, nu print Bond3D deze mixer als één, sterk PEEK-product en is het ontwerp geoptimaliseerd voor maximale menging.

eigen dienst te nemen, vanwege de risico’s bij ontwikkeling. We willen echt alle kennis in eigen huis hebben.” Daar ligt ook het onderscheidend vermogen, volgens Kunst. “Als een klant met een heel specifieke vraag bij ons komt, zijn we met onze mensen heel flexibel en kunnen we bijvoorbeeld snel het printproces aanpassen voor die specifieke vraag.” Daarom heeft Bond3D ook liefst zes applicatie-engineers. “Zij denken niet alleen met de klant mee over het maken van parts, maar we verhuren hen ook voor het hele proces: design, FEM-analyse, het schrijven van documentatie. Daarvoor sluiten we met klanten joint development agreements; we verkopen ook uren, maar zijn uiteindelijk wel gericht op productverkoop.” Een grote inspanning gaat zitten in het ‘opvoeden’ van klanten. “Een paar jaar geleden kwamen ze vooral met ‘vierkante blokken’ die we moesten printen – niet zo efficient. We geven nu trainingen bij klanten, verzorgen webinars en leren ontwerpers omdenken. Bij grotere bedrijven zien we engineers onze ontwerprichtlijnen volgen en steeds vaker komen ze al met printklare ontwerpen.”

Onderdeel van de toolkit De markt staat open voor het aanbod van Bond3D, concludeert marketeer Kunst. “Bedrijven die voorheen machines wilden kopen, ontwikkelen nu partnerships met ons om de printtechniek te kunnen gebruiken wanneer ze die nodig hebben. Als ze zelf een printer zouden kopen, komt er meer bij kijken; ze moeten dan ook mensen trainen en voldoende vulling op de machine hebben. Nu zien ze ons als een tool in hun toolkit van productietechnieken. Er zijn een hoop mooie productietechnieken en die moeten ze vooral blijven gebruiken. Soms kunnen ze beter verspanen of spuitgieten, soms komen ze bij ons om hun ontwerpen te laten printen. Daarin willen wij marktleider/trendsetter blijven, het leveren van delen uit hoogwaardige kunststof die met conventionele technieken niet zijn te maken.”

www.bond3d.com

Hans van Eerden