3D-printen van metalen brug

Twee robots die al printend naar de overkant van een Amsterdamse gracht wandelen?

De Amsterdamse startup MX3D werd in korte tijd wereldberoemd. Waar hun eerste projecten Resin en Metal een relatief klein publiek bereikten, zette Bridge de ontwikkelde robotprinter stevig op de kaart. En waarom ook niet. 3D-printen van metalen brug. Twee robots die al printend naar de overkant van een Amsterdamse gracht wandelen? Dat getuigt niet alleen van een sterk staaltje technisch vernuft, maar ook van een flinke dosis verbeeldingskracht.

Is het luchtlassen of 3D-printen? Wie de robot met zijn lastoorts zijn zwierende metalen lijnen door de lucht ziet trekken, zal het al snel een worst zijn. De organische structuren die uit het niets lijken te ontstaan hebben een hypnotiserend effect op menig toeschouwer. Maar omdat er wel degelijk lasspetters in de rondte vliegen, is het misschien beter er maar niet te lang bij stil te staan. Beter is het na te denken over wat deze manier van produceren betekent. En dat zou zomaar een kleine revolutie kunnen zijn. Een unieke Direct Metal Deposition-technologie.

Outside the box

MX3D is het geesteskind van Joris Laarman. De ontwerper die in 2003 cum laude aan de Design Academy in Eindhoven afstudeerde, startte een klein jaar later zijn eigen laboratorium. Hier werkte hij onder andere aan de in kunstkringen bekende Heatwave-radiator en enkele meubelen die met hun organische voorkomen de toepasselijke naam “Bone furniture” kregen. De rode draad door zijn werk lijkt de vrije vorm, wat meteen zijn interesse voor 3D-productietechnologie verklaart. Laarman heeft in zijn lab namelijk altijd alles zelf willen maken. Onmogelijk bestaat niet. Desnoods wordt zelf het wiel uitgevonden, want high-end engineering, wetenschap en design zijn kanten van eenzelfde medaille die niet moeten worden geschuwd, maar omarmd. ‘In de tijd dat we onze meubels maakten, waren we erg teleurgesteld over de mogelijkheden die 3D-printen gaf. De belofte was er wel, maar de mogelijke printvolumes waren veel te klein en de prijzen schrikbarend hoog’, herinnert Laarman zich. Het was het begin voor een zelfontwikkelde printtechniek die CTO en medeoprichter van MX3D Tim Geurtjens “outside the box printing” noemt. Het maakt geen gebruik van een poederbed waarin laagsgewijs onderdelen worden opgebouwd, maar van een industriële zesassige robot die telkens nieuwe druppels materiaal aan elkaar plakt. Ineens was het bereik van de robotarm de enige beperking voor de grootte van het eindproduct. Ineens waren er bovendien geen support structures meer nodig, omdat de robot onder elke hoek op elke plek materiaal kon toevoegen en letterlijk lijnen in de lucht kon tekenen. Nou ja, ineens….

Resin

Voor niks gaat de zon op en vanzelf gaat er maar weinig. Het eerste project Resin van MX3D stuitte dan ook op de nodige uitdagingen. De grootste hierbij was misschien nog wel de te extruderen hars die na aanbrengen supersnel moest uitharden, zodat de druppels ook precies daar bleven zitten waar ze waren aangebracht. Bovendien lag er voor wat betreft software en robotaansturing een uitdaging. Want in tegenstelling tot het gebruikelijke opdelen van een 3D-model in laagjes, moest nu een precieze baan in de 3D-ruimte worden beschreven door een robot die bovendien helemaal in sync was met het materiaaltoevoegsysteem. Dit betekende een aardig aantal uurtjes programmeren voor het aan elkaar knopen van ontwerp en besturingssoftware om diverse vormvariaties in het digitale ontwerp snel naar de fysieke wereld te halen. Gelukkig was er bij MX3D de nodige technische kennis voorhanden en kon onder andere een beroep worden gedaan op de kennis van het Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC).

Metal

Na het slagen van project MX3D Resin was het tijd voor een volgende stap: het printen van metalen. De machine die de beste papieren had om deze klus te klaren lag voor de hand: een lasrobot. Ook hier was het vooral een uitdaging het smeltbad dusdanig goed te beheersen en snel te laten stollen, dat precies op de gewenste plek materiaal met een perfecte hechting kon worden toegevoegd. Volgens Geurtjens is dit gelukt door zowel de nieuwe, als ook een deel van de voorgaande druppel te laten smelten. ‘We hebben diverse geprinte structuren bij de TU Delft laten testen. Het blijkt dat we negentig procent van de normale metaalsterkte halen.’ En omdat MX3D precies daar sterkte kan toevoegen waar nodig, wordt ondanks die ingeleverde tien procent natuurlijk behoorlijk wat materiaal bespaard.

Er zijn in het Metal-project al heel wat materialen met goed gevolg getest. Zo kan worden gewerkt met staal, rvs, aluminium of koper. Elk kent natuurlijk zijn eigen parameters als pulstijd en pauze, druppeldikte of oriëntatie van de lastoorts. Dat geldt ook voor het type lijn dat geprint wordt: verticaal, horizontaal of gekromd. Er kunnen bovendien “solid” lijnen worden geprint, of holle buisprofielen, waar later ook weer materiaal aan kan worden toegevoegd. En bovendien kunnen er meerdere lijnen alternerend met één kop worden geprint die elkaar op strategische punten snijden, om zo zelfdragend te zijn. Om dit software- en besturingstechnisch allemaal in goede banen te leiden was er hulp van robotintegrator Acotech uit Lith en het Amerikaanse Autodesk.

Bridge

En toen leek de wereld wakker te worden. Nu zal de bekendheid van Joris Laarman – zijn ontwerpen zijn wereldwijd in gerenommeerde musea te vinden – en een aantal partners als Autodesk en ABB ongetwijfeld hebben geholpen. Maar “the proof” was toch vooral “in the pudding”. Een brug printen. Ja, dat zou best eens kunnen werken, dachten ook constructiebedrijf Heijmans en de Gemeente Amsterdam. Hoewel de theorie inmiddels dicteert dat de nieuwe brug in twee maanden geprint kan worden, zal het toch tot in 2017 duren voordat de Laarmanbrug zich mag rekenen tot één van de ongeveer 1.200 bruggen die de Amsterdamse grachtengordel rijk is. De brug is immers een volgende stap in een serieus experiment om tot nieuwe, vrijere productiemethoden te komen. ‘Ik geloof sterk in de toekomst van digitale fabricage en lokale productie; “het nieuwe ambacht”. Deze brug kan laten zien hoe 3D-printen eindelijk de wereld van grootschalige functionele objecten en duurzame materialen binnentreedt, en tegelijkertijd een ongekende vormvrijheid mogelijk maakt. De symboliek van een brug is een mooie metafoor om de technologie van de toekomst te verbinden met de oude stad op een manier die het beste van beide werelden naar boven haalt’, aldus Laarman.

Software-integratie

Dat met de combinatie digitale fabricage met lokale productie ook een flinke portie softwareontwikkeling gemoeid is, is ook MX3D inmiddels wel duidelijk. ‘We hebben veel gebruik gemaakt van Autodesks Project Dreamcatcher en Dynamo Studio. Hiermee komen we snel tot haalbare geometrieën. De hieruit voortvloeiende CAD-data wordt vervolgens omgezet in bijbehorende laspatronen. De Rapid-software van ABB vertelt de robots vervolgens hoe ze moeten bewegen’, legt Geurtjens uit. Uiteindelijk is het de bedoeling dat een MX3D-plaftorm een interface verzorgt waarmee met “één druk op de knop” direct vanuit de ontwerpsoftware kan worden geprint.

2017 and beyond

Wat de dingen zijn die we tot 2017 kunnen verwachten? Nog veel experimenten met nog meer materialen. Zo zijn er vragen met betrekking tot onderhoud. Wat als je de brug van CORTEN zou maken? Dit materiaal roest wel, maar zodra zich een roestbruine oxidelaag heeft gevormd is de brug wellicht onderhoudsvrij. Of wat te denken van het kostenaspect? Het gaat MX3D niet alleen om “printen omdat het kan”, maar om een betaalbaar alternatief in de markt te zetten voor tal van productiemethoden. Een partner als Heijmans wil de vieze en gevaarlijke werkzaamheden door robots kunnen vervangen. Autodesk ziet veel brood in directe koppelingen met verschillende 3D-printmethoden, getuige ook de onlangs aangekondigde samenwerking met Microsoft en Windows 10. ABB als robotbouwer wil een volgende stap van de robot richting enkelstuksproductie. En MX3D zelf? Die hebben ideeën in overvloed. Geurtjens: ‘We hebben vragen uit andere landen gehad om ook daar bruggen te printen. Maar ook architectonische structuren of zelfs bijzondere vormen van betonwapening zijn natuurlijk razend interessant.’

Misschien moeten de nieuwsgierigen onder ons maar snel naar Amsterdam om het met eigen ogen te aanschouwen. Bij het ter perse gaan van dit artikel was de planning dat half oktober de locatie van de brug bekend wordt gemaakt en wordt er ook op korte termijn een bezoekerscentrum geopend. Wij houden het nieuws met spanning in de gaten!

Auteur: Liam van Koert, thefactoryfiles.com