De Complete Ingenieurs Handleiding
3D-Printen
Ontvang de laatste inzichten omtrent 3d-printen
Download het 2020 3d-print trend rapport
DEEL DIT ARTIKEL
DEEL DIT ARTIKEL
Part 1
De Basisprincipes
Wat is 3D-printen? Hoe werkt het? Wat zijn de belangrijkste voordelen en beperkingen ervan, en wat zijn de voornaamste industriële toepassingen?
Hier geven wij antwoord op al deze vragen en vergelijken we 3D-printen met traditionele productie om u te helpen de huidige stand der techniek te begrijpen.
Hoe werkt 3D-printen?
Elke 3D-printer bouwt onderdelen volgens hetzelfde basisprincipe: een digitaal model wordt omgezet in een fysiek, driedimensionaal object door laag-voor-laag materiaal toe te voegen. Dit verklaart de alternatieve term Additive Manufacturing.
3D-printen is een fundamenteel andere methode om onderdelen te produceren dan de subtractieve (CNC-frezen) of formatieve (Spuitgieten) productietechnologieën.
Voor 3D-printen zijn geen speciale gereedschappen vereist (zoals een snijgereedschap met bepaalde geometrie of een matrijs). In plaats daarvan wordt het onderdeel, laag-voor-laag, rechtstreeks op het bouwplatform geproduceerd, wat een unieke set voordelen en beperkingen met zich mee brengt - meer hierover volgt hieronder.
Het proces begint altijd met een digitaal 3D-model - de blauwdruk van het fysieke object. De software van de printer ‘sliced’ dit model tot dunne, 2-dimensionale laagjes en zet deze vervolgens om in een set instructies in machinetaal (G-code) die door de printer worden uitgevoerd.
Vanaf dat punt is de werkwijze van de 3D-printer afhankelijk van het proces. Bijvoorbeeld: desktop FDM-printers smelten plastic filamenten en leggen deze neer op het printplatform via een sproeistuk (als een zeer nauwkeurig computergestuurd lijmpistool). Grote industriële SLS-machines gebruiken een lazer om dunne laagjes metaal- of kunststofpoeder te smelten (of te sinteren).
De beschikbare materialen variëren ook per proces. Kunststoffen zijn verreweg het meest gangbaar, maar metalen kunnen ook 3D-geprint worden. De geproduceerde onderdelen kunnen ook een breed scala aan fysieke eigenschappen hebben, van optische helderheid tot rubberachtige objecten.
Afhankelijk van het formaat van het onderdeel en het type printer, duurt het normaliter tussen de 4 en 18 uur om een print te voltooien. 3D-geprinte onderdelen komen echter zelden direct klaar voor gebruik de machine uit. Vaak moeten ze nabewerkt worden om het gewenste niveau van oppervlakteafwerking te bereiken. Deze stappen kosten extra tijd en (vaak handmatige) moeite.
Een beknopte geschiedenis van 3D-printen
- De sci-fi auteur, Arthur C. Clarke, was al in 1964 de eerste die de basisfuncties van een 3D-printer beschreef.
- De eerste 3D-printer werd in 1987 uitgebracht door Chuck Hull van 3D Systems en deze maakte gebruik van het "stereolithography-proces" (SLA).
- In de jaren 90 en 00 werden andere 3D-printtechnologieën uitgebracht, zoals FDM door Stratasys en SLS door 3D Systems. Deze printers waren erg duur en werden voornamelijk gebruikt voor industriële prototyping.
- In 2009 publiceerde het ASTM-comité F42 een document met daarin de standaardterminologie voor Additive Manufacturing. Daarmee werd 3D-printen vastgelegd als industriële productietechnologie.
- In datzelfde jaar verliep het patent op FDM en werden de eerste voordelige desktop 3D-printers geïntroduceerd door het RepRap project. Wat ooit $200.000 kostte, werd plotseling mogelijk voor nog geen $2.000.
- Volgens Wohlers groeit het aantal overstappers naar 3D-printen nog steeds: wereldwijd werden tussen 2015 en 2017 meer dan 1 miljoen desktop 3D-printers verkocht en de verkoop van industriële metaalprinters is alleen al in 2017 bijna verdubbeld ten opzichte van het voorgaande jaar.
3D-printen: na de hype
Waar staat 3D-printen vandaag de dag dan? Is de hype voorbij? Nou, misschien maar...
De hype van de voorgaande jaren was gebaseerd op het idee van grootschalige ingebruikname door consumenten. Dit was (en is nog steeds) een misleidende interpretatie van waar de technologie echt waarde toevoegt.
3D-printen heeft zich vandaag de dag een zeer specifieke rol toegeëigend in de productiewereld. De opgeblazen verwachtingen van voorgaande jaren hebben plaatsgemaakt voor een verwachting van toegenomen productiviteit. Veel aspecten van de technologie zijn nu mainstream en omarmd door zowel professionals als hobbyisten.
Uiteraard is 3D-printen een evoluerende technologie. Elk jaar worden nieuwe 3D-printers op de markt gebracht die een aanzienlijke impact kunnen hebben op de industrie. Zo heeft HP, bijvoorbeeld, hun eerste 3D-printsysteem relatief laat [in 2016] gelanceerd, maar al in 2017 is dat systeem wel één van de meest populaire industriële 3D-printers gebleken.
Voordelen & beperkingen van 3D-printen
Het is belangrijk om te begrijpen dat 3D-printen een snel ontwikkelende technologie is. Het biedt zijn unieke set voordelen, maar loopt in bepaalde opzichten ook achter op traditionele productie.
Hier geven we een samenvatting van de belangrijkste voordelen en beperkingen van 3D-printen, waarbij we rekening houden met de voor- en nadelen van alle verschillende 3D-printtechnologieën die momenteel beschikbaar zijn. Gebruik deze voor een inzicht in hoe 3D-printen er momenteel voor staat en welke richting het op gaat in de nabije toekomst.
Voordelen van 3D-printen
3D-printen maakt eenvoudige fabricatie van complexe vormen mogelijk, veel van die vormen kunnen niet middels andere productiemethodes worden geproduceerd.
De additieve aard van de technologie zorgt ervoor dat geometrische complexiteit geen hogere kosten met zich mee brengt. Onderdelen met complexe of organische geometrie die voor prestaties geoptimaliseerd zijn, kosten net zoveel om te 3D-printen als eenvoudiger onderdelen die zijn ontworpen voor traditionele productie (en soms zelfs minder omdat er minder materiaal wordt gebruikt).
Bij formatieve productie (zoals spuitgieten en andere vormen van (metaal) gieten) moet voor elk onderdeel een eigen matrijs worden gemaakt. Deze op maat gemaakte gereedschappen zijn duur (van duizenden tot honderdduizenden per stuk). Om deze investeringen terug te verdienen, worden duizenden identieke onderdelen geproduceerd.
Aangezien 3D-printen geen speciale tooling vereist, zijn er feitelijk geen opstartkosten. De kosten van een 3D-geprint onderdeel hangen volledig af van het gebruikte materiaal, de tijd die het de machine kost om te printen en de nabewerking die - mogelijk - vereist is om tot de gewenste afwerking te komen.
Heeft u zich ooit afgevraagd waarom we onze kleding in standaardmaten kopen? Dat komt door wat we net vertelden over traditionele productie, het is simpelweg voordeliger om identieke producten te maken en te verkopen aan de consument.
3D-printen maakt het echter eenvoudig om aanpassingen te maken. Omdat de opstartkosten zo laag zijn, hoeft men alleen het digitale 3D-model aan te passen om een op maat gemaakt onderdeel te produceren. Het resultaat? Elk onderdeel kan worden aangepast om te voldoen aan de specifieke behoeften van een gebruiker, zonder dat invloed op de productiekosten.
Momenteel is prototyping een van de voornaamste functies van 3D-printen - zowel voor vorm en functie. Dit gebeurt tegen een fractie van de kosten van andere processen en met een snelheid waar geen andere productietechnologie mee kan concurreren:
Onderdelen die met een desktop 3D-printer worden geprint zijn meestal in een nacht klaar en bestellingen bij een professionele service met grote industriële machines zijn in 2-5 dagen gereed voor levering.
De snelheid van prototyping versnelt de ontwerpcyclus (ontwerp, test, verbeter, herontwerp) aanzienlijk. Producten die meer dan 8 maanden nodig zouden hebben om te worden ontwikkeld kunnen in slechts 8-10 weken gereed zijn.
De meest gangbare 3D-printmaterialen vandaag de dag zijn kunststoffen. 3D-printen met metaal krijgt in een toenemend aantal industriële toepassingen echter ook steeds meer voet aan de grond.
Het 3D-printpallet omvat ook specialistische materialen met eigenschappen die zijn toegespitst op specifieke toepassingen. 3D-geprinte onderdelen kunnen vandaag de dag weerstand tegen hitte, hoge sterkte of rigiditeit hebben en kunnen zelfs biocompatibel zijn.
Composieten zijn ook niet ongebruikelijk bij 3D-printen. De materialen kunnen worden gevuld met metaal-, keramiek-, hout- of koolstofdeeltjes, of versterkt met koolstofvezels. Hierdoor ontstaan onderdelen met unieke eigenschappen die geschikt zijn voor specifieke toepassingen.
Beperkingen van 3D-printen
Over het algemeen hebben 3D-geprinte onderdelen fysieke eigenschappen die minder goed zijn dan het bulkmateriaal: omdat ze laag-voor-laag worden gebouwd zijn ze ongeveer 10% tot 50% zwakker en brozer in één richting.
Hierdoor worden 3D-geprinte plastic onderdelen het meest gebruikt voor niet-kritieke functionele toepassingen. Echter kunnen DMLS & SLM 3D-geprinte metalen onderdelen produceren met uitstekende mechanische eigenschappen (vaak zelfs beter dan het bulkmateriaal). Om die reden vinden zij toepassingen in de meest veeleisende industrieën, zoals de luchtvaart.
3D-printen kan niet concurreren met traditionele productieprocessen als het aankomt op de productie van grote aantallen. Het gebrek aan op maat gemaakte gereedschappen of matrijzen betekent lage opstartkosten, waardoor prototypes en kleine aantallen (tot tien stuks) economisch kunnen worden geproduceerd. Het betekent echter ook dat de stuksprijs maar mondjesmaat afneemt bij grotere aantallen, de schaalvoordelen zijn dus beperkt.
In de meeste gevallen, ligt het keerpunt rond de 100 stuks, afhankelijk van het materiaal, het 3D-printproces en het onderdeelontwerp. Daarna zijn andere technologieën, zoals CNC-frezen en spuitgieten, meer kosteneffectief.
-
De nauwkeurigheid van 3D-geprinte onderdelen hangt af van het proces en de kalibratie van de machine. Doorgaans hebben onderdelen die op een desktop FDM 3D-printer worden geprint de laagste nauwkeurigheid, met toleranties van ± 0,5 mm. Dit houdt in dat als u een gat met een diameter van 10 mm ontwerpt, dat het na printen een ware diameter tussen de 9,5 en 10,5 mm zal hebben.
Andere 3D-printprocessen bieden hogere nauwkeurigheid. Industriële Material Jetting- en SLA-printers, bijvoorbeeld, kunnen onderdelen produceren met toleranties van slechts ± 0,01 mm. Het is echter belangrijk om te onthouden dat deze resultaten alleen kunnen worden behaald na optimalisatie voor specifieke aspecten in een goed ontworpen onderdeel.
Om de toleranties en oppervlakteafwerking te verbeteren, worden metalen 3D-geprinte onderdelen voor kritieke toepassingen na het printen vaak afgewerkt met CNC-frezen of een ander proces.
-
Lees een uitgebreide vergelijking van de nauwkeurigheid van de verschillende 3D-printprocessen →
Geprinte onderdelen komen zelden direct klaar-voor-gebruik de printer uit. Meestal vereisen ze een of meer nabewerkingsstappen.
Zo moet bij de meeste 3D-printprocessen, bijvoorbeeld, de ondersteuning achteraf worden verwijderd. 3D-printers kunnen geen materiaal lost in de lucht aanbrengen, dus zijn ondersteuningen constructies die onder overhangende delen met het onderdeel mee worden geprint of die worden geprint om het geprinte op het bouwplatform te verankeren.
Eenmaal verwijderd laten ze vaak sporen of oneffenheden achter op het oppervlak van het onderdeel waar ze aan vast zaten. Deze stukken vereisen verdere behandeling (schuren, afvlakken, schilderen) om een oppervlakte afwerking van hoge kwaliteit te realiseren.
-
Toepassingen van 3D-printen
Hier hebben we een aantal voorbeelden verzameld om te laten zien hoe mensen 3D-printen hebben gebruikt en waarom zij daar, in hun specifieke gevallen, voor hebben gekozen.
Luchtvaart
Lucht- en ruimtevaartingenieurs gebruiken 3D-printen om hoogwaardige onderdelen te produceren. Vooral de mogelijkheid om topologisch geoptimaliseerde constructies met een hoge sterkte-gewichtsverhouding te creëren en de mogelijkheid om meerdere componenten in een enkel onderdeel te consolideren zijn bijzonder aantrekkelijk.
Optisys LLC is een aanbieder van micro-antenneproducten voor toepassingen in de luchtvaart en defensie. Zij gebruikten 3D-printen met metaal om het aantal afzonderlijke deeltjes in hun tracking-antenneseries van 100 terug te brengen tot slechts 1. Met deze vereenvoudiging, wist Optisys de levertijd terug te brengen van 11 naar 2 maanden en tegelijk een gewichtsverlaging van 95% te realiseren.
Automobiel
De auto-industrie heeft veel voordeel gehaald uit de snelle levertijd en het aanpassingsgemak dat door 3D-printen wordt geboden.
Van oorsprong gebruikte Volkswagen CNC-frezen om aangepaste mallen en armaturen te maken. CNC heeft doorgaans langere productietijden en hogere kosten. Dezelfde mallen en armaturen konden in een nacht 3D-geprint worden en de volgende dag op de productielijn worden getest. Feedback van de operators werd vrijwel onmiddellijk verwerkt en de volgende dag was er een nieuwe mal klaar om te worden getest, tot de perfecte tool werd gerealiseerd.
Robotica
In de robotica & automatisering, is er veel vraag naar op maat gemaakte losse onderdelen voor de ontwikkeling van nieuwe roboticamechanismen. Door de snelheid, de grote ontwerpvrijheid die het biedt en het aanpassingsgemak, is 3D-printen geëvolueerd tot een van de voornaamste productietechnologieën voor deze industrie. De ruimte materiaalkeuze met unieke eigenschappen maakt ook de creatie van unieke structuren mogelijk, zoals "zachte" robots.
Een team van studenten bouwkunde aan de universiteit van Antwerpen bouwde een mensachtige robotarm die spraak kan vertalen in gebarentaal. Zij maakten bijna uitsluitend gebruik van 3D-printen voor de productie van alle op maat gemaakte structuurdelen van hun robot.
Industriële tooling
De ontwikkeling van nieuwe 3D-printmaterialen met hoge weerstand tegen hitte en rigiditeit, in combinatie met de mogelijkheid om snel op maat gemaakte onderdelen te creëren tegen een lage prijs, heeft ertoe geleid dat voor 3D-printen meerdere toepassingen zijn gevonden in industriële tooling.
3D-printen wordt vandaag de dag, bijvoorbeeld, gebruikt om spuitgietmatrijzen voor kleinere aantallen te produceren. Die matrijzen worden gebruikt om enkele honderden onderdelen te produceren (vergeleken met 10.000+ voor metalen matrijzen), maar kosten slechts een fractie van de prijs van een "traditionele" matrijs en kunnen in een enkele nacht worden geproduceerd. Dit maakt ze ideaal geschikt voor de productie van lage aantallen goedkope producten of kleine testbatches in de aanloop naar productie op grote schaal.
Gezondheidszorg
Wist u dat vandaag de dag, in de Verenigde Staten, gehoorapparaten vrijwel uitsluitend worden geproduceerd middels 3D-printen? Sterker nog, de bedrijven die zich deze technologie niet eigen maakten, zijn in rap tempo failliet gegaan omdat ze de concurrentie niet konden bijbenen.
De gezondheidszorg en prothese-industrie hebben veel baat gehad bij het toepassen van 3D-printen. Aangepaste vormen, zoals gehoorapparaten, hoeven niet meer handmatig te worden vervaardigd. Met 3D-printen, kunnen ze snel worden geproduceerd vanuit een digitaal bestand (bijvoorbeeld door het lichaam van de patiënt te 3D-scannen). Dit brengt aanzienlijk lagere kosten en korte productietijden met zich mee.
Productontwerp
Met behulp van 3D-printen, kunnen productontwerpers eenvoudig hun producten aanpassen zonder extra kosten. Ze kunnen ook hoogwaardige functionele prototypes voor een nieuw productconcept creëren. Ze kunnen de ontwerpcyclus versnellen en aantonen dat hun productidee werkt voordat grotere investeringen worden gedaan.
Paul Kohlhaussen, bijvoorbeeld, ontwierp en creëerde een functioneel prototype van zijn ultieme camera. Hij combineerde cameraonderdelen van verschillende modellen en voegde ze samen in een op maat gemaakte, 3D-geprinte behuizing. Vervolgens zette hij zijn idee op Kickstarter om de financiering van zijn project te realiseren.
Entertainment
3D-printen is één van de favoriete tools van hedendaagse filmmakers, omdat er waanzinnige attributen mee kunnen worden gemaakt. De hoge ontwerpflexibiliteit van 3D-printen helpt entertainmentprofessionals de objecten uit hun verbeelding tot leven te brengen. Dit kan nu heel snel en tegen veel lagere kosten dan voorheen.
Vitaly Bulgarov, een conceptontwerper met filmstudio’s als Paramount en Dreamworks op zijn CV, biedt een mooi voorbeeld. Hij gebruikte 3D-printen om zijn computerschetsen snel om te zetten in bruikbare fysieke objecten voor een film waar hij aan werkte.
Onderwijs
3D-printtechnologie heeft veel potentieel in onderwijsomgevingen. Met 3D-printen, kan de lesstof tot leven worden gebracht met replica’s op schaal. Dit geeft studenten praktische (en zeer waardevolle) praktijkervaring mee.
Studenten luchtvaarttechniek aan de University of Glasgow maakten, in samenwerking met Rolls Royce, een functioneel 3D-geprinte model van een straalmotor. Het model geeft de studenten rechtstreeks feedback over veranderingen die ze maken gedurende de operatie, waardoor ze waardevolle praktijkervaring opdoen.
Makers
Voor makers die constant nieuwe ideeën verkennen is 3D-printen het perfecte gereedschap. Een van de belangrijkste voordelen is de mogelijkheid oneindig reserve onderdelen en nieuwe ontwerpen te produceren zonder afhankelijkheid van externe leveranciers. Ze kunnen hun ontwerpen ontwikkelen en aanpassen, om zo nieuwe en betere concepten te creëren.
Jack Davies, bijvoorbeeld, is een student productontwerp aan Nottingham Trent University. Hij maakte zijn eigen elektrische skateboard met 3D-geprinte onderdelen. Zijn aangedreven skateboard had vergelijkbare capaciteiten als die van commercieel verkrijgbare elektrische skateboards, voor slechts een derde van de prijs.
3D-printen vs. Traditionele productie
3D-printen is een uitzonderlijke tool voor het produceren van op maat gemaakte onderdelen en prototyping. Vanwege zijn unieke eigenschappen is het echter het meest geschikt voor specifieke toepassingen.
Bij het maken van de keuze tussen een additieve (3D-printen), subtractieve (CNC-frezen) of formatieve (spuitgieten) productietechnologie, zijn er enkele eenvoudige richtlijnen om u te helpen tot de beste optie te komen.
Als vuistregel:
"3D-printen is de beste optie als er slechts één (of enkele) onderdeel nodig is met een snelle levertijd en voor een lage prijs, of als de geometrie van het onderdeel niet door andere productietechnologie kan worden geproduceerd."
Een subtractieve technologie (CNC-frezen) is vooral een goede keuze in de volgende scenario’s:
- Middelgrote aantallen: Bij het produceren van onderdelen in honderdtallen, is CNC-frezen doorgaans de meer economische optie. Dit komt doordat er schaalvoordelen worden behaald.
- Relatief eenvoudige geometrieën: Vooral voor onderdelen van metaal, als het ontwerp eenvoudig kan worden geproduceerd met een subtractief proces, is CNC-frezen de beste optie.
- Hoge materiaaleisen: Als uitstekende materiaaleigenschappen essentieel zijn, is CNC-frezen een betere optie omdat 3D-geprinte onderdelen normaliter een lagere sterkte hebben.
- Hoge dimensionale nauwkeurigheid: Voor functionele onderdelen met kleine toleranties is CNC-frezen de beste optie. Voor complexe geometrieën is een hybride aanpak (eerst printen, dan CNC-frezen) ook een reële optie.
Voor grotere productieaantallen (> 1000 onderdelen), zijn formatieve technologieën (zoals spuitgieten) meer kosteneffectief en zijn dus economisch meer verantwoord.
Zie onderstaande grafiek voor een snelle indicatie van de stuksprijs. In deze vereenvoudiging wordt aangenomen dat alle technologieën de geometrie van het onderdeel kunnen produceren. Als dit niet het geval is, is 3D-printen vaan de geprefereerde productieoplossing.
Samengevat:
"3D-printen biedt geweldige geometrische flexibiliteit en kan aangepaste onderdelen en prototypes snel en tegen lage kosten produceren, maar als grote aantallen, kleine toleranties of veeleisende materiaaleigenschappen vereist zijn, zijn traditionele productietechnologieën vaak de betere optie."
Part 2
3D-printprocessen
Na het lezen van dit deel heeft u een volledig overzicht van het hedendaagse 3D-printlandschap.
Kom snel meer te weten over de populairste processen, materialen en bruikbare besluitvormingsinstrumenten om u te helpen voor uw toepassing het optimale 3D-printproces te kiezen.
De verschillende soorten 3D-printen
De ISO/ASTM 52900 norm categoriseert alle verschillende soorten 3D-printen onder één van deze zeven groepen:
- Material Extrusion (FDM): Materiaal wordt selectief gedeponeerd via een sproeistuk of opening
- Vat Polymerization (SLA & DLP): Vloeibaar fotopolymeer in een vat wordt selectief gedroogd met uv-licht
- Powder Bed Fusion (SLS, DMLS & SLM): Poederdeeltjes worden selectief door een krachtige energiebron versmolten
- Material Jetting (MJ): Druppels materiaal worden selectief gedeponeerd en gedroogd
- Binder Jetting (BJ): Met een vloeibaar bindmiddel worden selectief regionen van een poederbed aan elkaar gebonden
- Direct Energy Deposition (LENS, LBMD): Een krachtige energiebron versmelt materiaal terwijl het wordt gedeponeerd
- Sheet Lamination (LOM, UAM): Platen materiaal worden laag-voor-laag gebonden en gevormd
Wij bieden een infographic aan met alle momenteel beschikbare 3D-printtechnologieën die u kunt downloaden. Deze illustreert de zeven 3D-printcategorieën, de voornaamste materialen waarmee elke groep kan printen en de populairste fabrikanten van printers.
In de volgende delen volgt een inleiding in de basisprincipes voor bediening en de voor- en nadelen van de zes populairste 3D-printprocessen op dit moment.
Nadat u dit hoofdstuk hebt gelezen, kunt u weloverwogen beslissingen maken over de 3D-printtechnologie die het meest geschikt is voor uw specifieke toepassing.
Fused Deposition Modeling (FDM)
Bij FDM wordt een spoel of filament in de printer geladen en vervolgens naar de extrusiekop gevoerd, die voorzien is van een verhit sproeistuk. Als het sproeistuk de gewenste temperatuur eenmaal bereikt, drukt een motor het filament erdoorheen, waardoor het smelt.
De printer beweegt de extrusiekop en deponeert zo het gesmolten materiaal op exacte locaties, waar het afkoelt en stolt (als een heel nauwkeurig lijmpistool). Als er een laag af is, verplaatst het bouwplatform omlaag waarna dit proces zich herhaalt tot het onderdeel klaar is.
Na het printen is het onderdeel normaliter gereed voor gebruik, maar er kan enige nabewerking nodig zijn, zoals het verwijderen van de steunconstructies of oppervlakte-afvlakking.
FDM is de meest kosteneffectieve manier om op maat gemaakte thermoplastische onderdelen en prototypes te produceren. Ook heeft het, vanwege het grote aanbod van de technologie, de kortste levertijden - vanaf leveringen op de volgende dag. Voor FDM is een breed assortiment thermoplastische materialen beschikbaar, geschikt voor zowel prototyping als bepaalde functionele toepassingen.
In termen van beperkingen heeft FDM de laagste dimensionale nauwkeurigheid en resolutie, in vergelijking tot andere 3D-printtechnologieën. Bij FDM-onderdelen zullen de laaglijnen waarschijnlijk zichtbaar zijn, dus vaak moet nabewerking worden toegepast om een gladde oppervlakteafwerking te realiseren. Bovendien maakt het mechanisme voor laagbinding dat FDM-onderdelen van nature anisotroop zijn. Dit betekent dat ze in een richting zwakker zullen zijn en over het algemeen niet geschikt zijn voor kritieke toepassingen.
Stereolithography & Digital Light Processing (SLA & DLP)
SLA en DLP zijn vergelijkbare processen die beide gebruik maken van een uv-lichtbron om, in een vat, vloeibare hars laag-voor-laag te drogen (stollen). SLA maakt gebruik van een eenpuntslaser (single-point laser) om de hars te drogen, terwijl DLP gebruik maakt van een digitale lichtprojector om een enkele laag in één keer in zijn geheel te flitsen.
Na het printen, moet het onderdeel worden gereinigd van de hars en aan een uv-bron worden blootgesteld om de sterkte te verbeteren. Vervolgens worden de ondersteuningsconstructies verwijderd en, als een hoogwaardige oppervlakte afwerking vereist is, worden verdere nabewerkingsstappen uitgevoerd.
SLA/DLP kan onderdelen met zeer hoge dimensionale nauwkeurigheid, hele fijne details en een zeer gladde oppervlakte afwerking produceren, ideaal voor visuele prototypes. Ook is er een groot assortiment aan specialistische materialen, zoals transparante, flexibele, gietbare en biocompatibele harsen, of materialen die speciaal zijn aangepast voor specifieke industriële toepassingen, beschikbaar.
Over het algemeen zijn SLA-/DLP-onderdelen brozer dan FDM-onderdelen, ze zijn dus niet heel geschikt voor functionele prototypes. Ook moeten SLA-onderdelen niet in de buitenlucht worden gebruikt, omdat hun mechanische eigenschappen en kleur verminderen als ze worden blootgesteld aan de uv straling in zonlicht. Ondersteuningsconstructies zijn altijd vereist bij SLA/DLP, waardoor extra nabewerking vereist kan zijn om kleine oneffenheden te verwijderen van de oppervlakten waaraan de ondersteuningen hebben gezeten.
Selective Laser Sintering (SLS)
Het SLS-proces begint met het verhitten van een bak polymeerpoeder tot een temperatuur net onder het smeltpunt van het materiaal. Een ‘recoating blade’ of roller brengt vervolgens een heel dun laagje poeder - normaliter 0,1 mm dik - aan op het bouwplatform.
Een CO2-laser scant het oppervlak van het poederbed en sintert de deeltjes selectief aan elkaar. Als de hele doorsnede is gescand, verplaatst het bouwplatform een laag naar beneden en wordt het proces herhaald. Het resultaat is een bak gevuld met onderdelen omgeven door niet-gesinterd poeder.
Na het printen moet de bak afkoelen voordat de onderdelen uit het niet-gesinterde poeder worden verwijderd en schoongemaakt. Er kunnen dan enige nabewerkingsstappen worden toegepast om het visuele uiterlijk te verbeteren, zoals polijsten of kleuren.
SLS-onderdelen hebben zeer goede, bijna isotrope mechanische eigenschappen, dus ze zijn ideaal voor functionele onderdelen en prototypes. Omdat er geen ondersteuningsconstructies vereist zijn (het niet-gesinterde poeder fungeert als ondersteuning), kunnen ontwerpen met zeer complexe geometrieën eenvoudig worden geproduceerd. SLS is ook uitstekend geschikt voor de productie van kleine tot middelgrote aantallen (tot 100 stuks), omdat de bak voor zijn volledige volume kan worden gevuld en meerdere onderdelen in een enkele productiecyclus kunnen worden geprint.
SLS-printers zijn doorgaans hoogwaardige industriële systemen. Dit beperkt de beschikbaarheid van de technologie en verhoogt de kosten en levertijden (vergeleken met FDM of SLA, bijvoorbeeld). SLS-onderdelen hebben van nature een korrelig oppervlak en een zekere interne porositeit. Als een glad oppervlak en/of waterdichtheid vereist is, zullen aanvullende nabewerkingsstappen nodig zijn. Let er op dat grote vlakke oppervlakken en kleine gaatjes speciale aandacht vereisen, omdat deze gevoelig zijn voor thermische vervorming en oversinteren.
SLS vs. MJF
Een concurrerende technologie met vergelijkbare voordelen als SLS is MJF, die in 2016 door HP werd geïntroduceerd. Beide technologieën creëren onderdelen die visueel en mechanisch bijna niet van elkaar te onderscheiden zijn.
Material Jetting (PolyJet)
Het Material Jetting-proces is vergelijkbaar met dat van een standaard inkjet-printer. Echter, in plaats van een enkel laagje inkt op een vel papier, worden meerdere lagen materiaal op elkaar gedeponeerd om een solide onderdeel te creëren.
Meerdere printkoppen brengen honderden kleine druppeltjes fotopolymeer aan op het bouwplatform, waar ze worden gestold (gedroogd) door de uv-lichtbron. Als er een laag af is, verplaatst het bouwplatform een laagje naar beneden, en wordt het proces herhaald.
Ondersteuningsconstructies zijn bij Material Jetting altijd vereist. Een wateroplosbaar materiaal wordt tegelijk met het structurele materiaal geprint, en wordt gebruikt als ondersteuning die achteraf, tijdens de nabewerking, makkelijk kan worden opgelost.
Material Jetting is de meest nauwkeurige 3D-printtechnologie (gevolgd door SLA/DLP). Het is een van de weinige 3D-printprocessen die capaciteit voor printen met meerdere materialen en in volle kleuren biedt. Material Jetting-onderdelen hebben een zeer glad oppervlak - vergelijkbaar met spuitgieten - en zeer hoge dimensionale nauwkeurigheid, waardoor ze ideaal zijn voor realistische prototypes en onderdelen die uitstekende visuele uitstraling moeten hebben.
Material Jetting is één van de duurste 3D-printprocessen en die hoge kosten maakt het voor bepaalde toepassingen financieel niet rendabel. Bovendien zijn onderdelen die middels Material Jetting worden geproduceerd niet het meest geschikt voor functionele toepassingen. Net als SLA/DLP, worden thermoharders gebruikt in dit proces, de geproduceerde onderdelen zijn veelal dus aan de broze kant. Ook zijn ze lichtgevoelig en zullen hun eigenschappen met verloop van tijd verslechteren als ze worden blootgesteld aan zonlicht.
Direct Metal Laser Sintering & Selective Laser Melting (DMLS & SLM)
Direct Metal Laser Sintering (DMLS) en Selective Laser Melting (SLM) produceren onderdelen op een vergelijkbare manier als SLS: een laserbron biedt poederdeeltjes selectief, laag-voor-laag aan elkaar. Het grootste verschil is, natuurlijk, dat DMLS en SLM onderdelen van metaal produceren.
De verschillen tussen de DMLS- en SLM-processen zijn klein: SLM zorgt voor volledige smelting van de poederdeeltjes, terwijl DMLS de metaaldeeltjes verhit tot het punt dat ze samensmelten op moleculair niveau.
Steunconstructies zijn altijd vereist bij DMLS en SLM om zodat zo min mogelijk vervorming optreedt, die wordt veroorzaakt door de hoge temperaturen die vereist zijn om de metaaldeeltjes samen te smelten. Na het printen, moeten de metalen steunen, handmatig of met CNC-frezen, worden verwijderd. Frezen kan ook worden toegepast om de nauwkeurigheid van kritieke aspecten (zoals gaten) te verbeteren. Tot slot worden de onderdelen thermisch behandeld om eventuele restspanningen te elimineren.
DMLS/SLM is ideaal voor het produceren van metalen onderdelen met complexe geometrieën die niet met traditionele productiemethoden kunnen worden geproduceerd. DMLS/SLM-onderdelen kunnen topologisch geoptimaliseerd worden (en zouden dat ook moeten zijn) om de prestaties ervan te maximaliseren en het gewicht en de hoeveelheid materiaal die wordt gebruikt te minimaliseren. DMLS/SLM-onderdelen hebben uitstekende fysieke eigenschappen, vaak met hogere sterkte dan ruw metaal. Veel metaallegeringen die moeilijk te verwerken zijn met andere technologieën, zoals metalen superlegeringen, kunnen worden gebruikt voor DMLS/SLM.
De kosten voor DMLS/SLM 3D-printen zijn hoog: onderdelen die middels dit proces worden geproduceerd kosten doorgaans tussen de $5.000 en $25.000. Om die reden zou DMLS/SLM alleen moeten worden gebruikt voor onderdelen die niet via een andere methode kunnen worden geproduceerd. Bovendien is het productieformaat van moderne 3D-printsystemen voor metaal beperkt, omdat de vereiste, exacte productieomstandigheden moeilijk te onderhouden zijn bij grotere bouwruimtes.
3D-printtechnologieën met metaal vergeleken
3D-printen met metaal is in opkomst. Daarom hebben we een uitgebreide handleiding geschreven om u een volledig overzicht te geven van het hedendaagse landschap van 3D-printen met metaal.
Binder Jetting
Binder Jetting is een flexibele technologie met diverse toepassingen, van voordelig 3D-printen met metaal tot prototyping met een volledig kleurenspectrum en de productie van grote zandgietmatrijzen.
Bij Binder Jetting wordt eerst een dun laagje poederdeeltjes (metaal, acryl of zandsteen) aangebracht op het bouwplatform. Vervolgens worden druppeltjes bindmiddel afgegeven door een inkjet printkop om poederdeeltjes selectie aan elkaar te binden en zo laag-voor-laag een onderdeel te bouwen.
Als de print klaar is, wordt het onderdeel uit het poeder verwijderd en gereinigd. Op dat moment is het zeer broos en is verdere nabewerking vereist. Voor metalen onderdelen omvat dit thermisch sinteren (net als metaal spuitgieten) of infiltratie met een metaal met laag smeltpunt (brons, bijvoorbeeld), terwijl volledig gekleurde onderdelen worden geïnfiltreerd met cyaanacrylaatlijm.
Binder Jetting kan metalen onderdelen en volledig gekleurde prototypes produceren tegen een fractie van de kosten van respectievelijk DMLS/SLM of Material Jetting. Zeer grote zandstenen onderdelen kunnen met Binder Jetting ook worden geproduceerd, omdat het proces niet beperkt wordt door thermische effecten (zoals vervorming). Omdat er geen ondersteuningsconstructies vereist zijn tijdens het printen, kunnen metalen Binder Jetting-onderdelen zeer complexe geometrieën hebben en, net al;s bij SLS, kunnen kleine tot middelgrote aantallen worden geproduceerd door de volledige bouwruimte te benutten.
Metalen Binder Jetting-onderdelen hebben, vanwege porositeit, echter minder goede mechanische eigenschappen dan het bulkmateriaal. Vanwege de speciale nabewerkingsvereisten van Binder Jetting, zijn er speciale ontwerprestricties van toepassing. Zeer kleine details, bijvoorbeeld, kunnen niet worden geprint, omdat de onderdelen zeer broos uit de printer komen en dus kunnen breken. Metalen onderdelen kunnen ook vervormen tijdens het sinteren of de infiltratie als ze niet goed worden ondersteund.
Het kiezen van het juiste 3D-printproces
Het kan moeilijk zijn om het optimale 3D-printproces te kiezen voor een specifieke toepassing. Er is vaak meer dan één proces geschikt en elke optie biedt andere voordelen, zoals grotere dimensionale nauwkeurigheid of betere oppervlakte afwerking.
Daarom hebben we besluitvormingsinstrumenten en algemene richtlijnen ontwikkeld, om u te helpen het juiste 3D-printproces te selecteren.
In algemene zin zijn er drie belangrijke dingen die u zeker moet overwegen:
- De vereiste materiaaleigenschappen: sterkte, hardheid, schokweerstand, enz.
- De functionele & visuele ontwerpeisen: glad oppervlak, sterkte, weerstand tegen hitte, enz.
- De capaciteiten van het 3D-printproces: nauwkeurigheid, beschikbaar printvolume, laagdikte, enz.
Als u deze overwegingen in gedachten houdt, wordt het een stuk eenvoudiger om te bepalen wat de beste oplossing voor uw toepassing is. We hebben een gedetailleerde handleiding opgesteld om u te helpen met de technische details, ook kunt u voor een snelle verwijzing de beslisbomen hieronder raadplegen.
Part 3
3D-printmaterialen
3D-printmaterialen zijn nauw verbonden met 3D-printprocessen. In dit deel leert u meer over de meest populaire materialen die vandaag de dag worden gebruikt in 3D-printen en de voornaamste toepassingen voor die verschillende materialen.
3D-printmaterialen
Elk 3D-printproces is compatibel met verschillende materialen. Kunststoffen (zowel thermoplasten en thermoharders) zijn verreweg het meest gebruikelijk, gevolgd door metalen. Bepaalde composieten en keramieken kunnen ook 3D-geprint worden.
In de tabellen hieronder vindt u een opsomming van de meest gangbare kunststoffen en metalen die worden gebruikt voor 3D-printen. Als u op zoek bent naar een 3D-printmateriaal met specifieke eigenschappen, dan is onze Materiaalindex waarschijnlijk nuttig voor u.
Kunststoffen
Kunststoffen voor 3D-printen zijn lichtgewicht materialen met een breed scala aan fysieke eigenschappen, geschikt voor zowel prototyping-doeleinden en bepaalde functionele toepassingen.
Kunststoffen kunnen thermoplasten zijn (bij FDM of SLS), die doorgaans meer geschikt zijn voor functionele toepassingen, of thermoharders (bij SLA/DLP of Material Jetting), die doorgaans meer geschikt zijn voor toepassingen waarbij de visuele verschijning minder van belang is.
Wilt u meer informatie over kunststoffen voor 3D-printen? Wij hebben uitgebreide handleidingen voorbereid voor u.
Metalen
Metalen voor 3D-printen worden voornamelijk gebruikt in toepassingen die hoge sterkte, hoge hardheid of hoge thermische weerstand vereisen. Bij 3D-printen met metaal is topologische optimalisatie cruciaal om de prestaties van onderdelen te maximaliseren en de hoge kosten van de technologie te beperken.
DMLS/SLM zijn geschikt voor het breedste assortiment aan metalen en produceren onderdelen voor hoogwaardige technische toepassingen. Voor minder veeleisend gebruik, wint Binder Jetting in populariteit vanwege zijn lagere kosten, waarbij RVS veruit het meestgebruikte materiaal is.
3D-printsystemen voor metaal op basis van extrusie (vergelijkbaar met FDM) komen in 2018 op de markt en de verwachting is dat zij de kosten voor 3D-printen met metaal voor prototyping-doeleinden zullen verlagen.
Part 4
Ontwerpen voor 3D-printen
Dit deel biedt u tips over het correct voorbereiden van uw digitale bestanden voor 3D-printen. We gaan dieper in op de beste ontwerppraktijken en doen aanbevelingen voor software die u kunt gebruiken.
Als 3D-modelleren ingewikkeld klinkt (of als u simpelweg geen tijd hebt), verwijzen wij naar onze lijst met online modelarchieven, waar u bestaande ontwerpen kunt vinden.
Hoe komt u tot een printbaar model
Alles dat u nodig hebt om te beginnen met 3D-printen is een model in de STL-bestandsindeling. Afhankelijk van uw ontwerpvaardigheden en de tijd die u wilt investeren, kunt u of zelf ontwerpen of downloaden uit een online archief.
In de volgende delen gaan we in op beide opties.
De STL-bestandsindeling
De bestandsindeling STL is de industriestandaard die alle 3D-printers gebruiken. Ze gebruiken driehoeken om de buitenste en binnenste oppervlakken van een solide 3D-object weer te geven.
Zie STL-bestanden als de pdf-bestanden van het 3D-printen: ze bevatten alle informatie die nodig is om een model te printen, maar ze zijn moeilijk te bewerken.
Ontwerpen voor 3D-printen
Als u al bekent bent met 3D-ontwerp (of bereid bent de handen uit de mouwen te steken), is het eenvoudig om zelf een 3D-printbaar model te maken. Gebruik uw favoriete CAD-software en sla uw modellen op in het STL-bestandsindeling (alle moderne CAD-softwarepakketten bieden deze optie).
Vergeet niet dat er, ondanks de grote ontwerpvrijheid die 3D-printen biedt, nog steeds beperkingen gelden: alles kan in 3D worden “getekend” op een digitaal canvas, maar niet alles kan in 3D worden geprint.
Om u het leven makkelijker te maken, hebben wij een poster gemaakt die de belangrijkste ontwerpregels voor het 3D-printproces opsomt. U kunt deze printen en aan uw muur hangen, zo kunt u tijdens het ontwerpen altijd even spieken.
Als u dieper wilt graven, hebben wij voor u een aantal handleidingen gemaakt waarin de belangrijkste ontwerpoverwegingen voor 3D-printen worden besproken, vol met tips en advies dat u direct kunt toepassen.
Hier volgen de belangrijkste 3 zaken waar u op bedacht moet zijn:
- Overstekken & ondersteuning: 3D-printers kunnen materiaal niet los in de lucht hangen. Muren in een hoek van meer dan 45° hebben ondersteuning nodig, waardoor de oppervlaktekwaliteit wordt aangetast.
- Detailniveau: De kleinste details die een printer kan aanbrengen zijn afhankelijk van het formaat van de eind-effector (sproeistuk of laser) die de printer gebruikt.
- Laaghoogte: De laaghoogte beïnvloed de verticale resolutie van een onderdeel. Die invloed is zichtbaar in delen met meer kromming (waarin een effect van traptreden ontstaat).
Volg de volgende links voor specifieke ontwerprichtlijnen voor elk 3D-printproces:
Wat is de beste software voor 3D-printen?
Verschillende softwarepakketten kunnen u helpen met elk verschillend stadium van het ontwerpproces: van CAD-ontwerp tot STL-reparatie en -voorbereiding. In dit deel bieden we een lijst aan van de beste software voor 3D-printen om u op weg te helpen.
Hier volgt een lijst van CAD-ontwerpsoftware die door ons worden aangeraden voor het ontwerpen van onderdelen voor 3D-printen:
Als u op zoek bent naar de beste tools om uw STL-bestanden aan te passen of te repareren, voordat u ze naar de printer stuurt, volgt hier een lijst van de beste software die momenteel verkrijgbaar is:
Het proces voor het converteren van een STL-bestand naar machinetaal (G-code) wordt ‘slicing’ genoemd. Hier volgen een aantal populaire slicing-software die momenteel verkrijgbaar is:
Online een ontwerp vinden
Als u pas net met ontwerpen begint (of u bent gewoon op zoek naar iets om snel te kunnen printen), dan kunt u in één van de vele online archieven wellicht al vinden wat u zoekt.
Hier volgen enkele websites die wij aanbevelen:
- Thingiverse → Het grootste online archief met duizenden gratis 3D-printbare bestanden voor desktop 3D-printen.
- MyMiniFactory → Een populair online archief met gratis 3D-modellen die op kwaliteit zijn getest en gegarandeerd 3D-printbaar zijn.
- Cults → Een online marktplaats met hoogwaardige 3D-printmodellen van professionele ontwerpers en samengestelde collecties die banden hebben met grote merknamen.
- Pinshape → Een online marktplaats met zowel gratis als premium 3D-printbare bestanden, voornamelijk toegespitst op hobbyisten.
Part 5
Aan de slag met 3D-printen
Het is tijd om uw kennis in de praktijk te brengen. In dit deel begeleiden we u door de basisstappen om te beginnen met 3D-printen: van het kiezen van de printer om te kopen tot het gebruik van een online 3d-printservice.
Een printer kopen of een 3D-printservice gebruiken?
Als u uw ontwerp eenmaal klaar hebt, is het tijd om te printen! Nogmaals, u hebt hierin twee mogelijkheden: u kunt uw eigen 3D-printer kopen of een online service gebruiken. Het is een belangrijke beslissing, daarom hebben we voor beide standpunten een aantal argumenten verzameld om u te helpen, voor uw specifieke behoeften, tot de juiste beslissing te komen.
Ongeacht tot welke beslissing u komt, vindt u in de volgende twee delen tips waar u mee verder kunt.
| Koop een 3D-printer als… | Gebruik een online service als… |
|---|---|
| u regelmatig moet printen (10 - 25+ keer per week) | u te weinig (minder dan 5) of te veel (meer dan 25) onderdelen per maand moet printen |
| u een specifieke toepassing in gedachten hebt voor de printer | u verschillende processen en materialen wilt gebruiken om te printen, inclusief industriële printers |
| u er klaar voor bent een aanzienlijke investering te doen | u te allen tijde toegang wilt hebben tot de nieuwste technologieën |
| u bereid bent uw machine in te stellen, eraan te knutselen en hem te optimaliseren | u zich liever richt op het ontwerpen en perfectioneren van uw modellen |
| u de nodige ruimte en tijd hebt om de printer te installeren en te bedienen | u eerst wilt testen en leren, voordat u een beslissing neemt over de aan te schaffen printer |
Welke 3D-printer kunt u het beste kopen
Om deze vraag te beantwoorden doen we elk jaar een oproep aan ons wereldwijde netwerk van 3D-printserviceaanbieders om van hun ervaringen te leren en meer te weten te komen over de 3D-printers die zij hebben.
Met recensies van meer dan 10,000 geverifieerde 3D-printereigenaren, die gezamenlijk ongeveer 1,48 miljoen prints op meer dan 650 verschillende 3D-printermodellen hebben gemaakt, is het resultaat van ons onderzoek de meest complete 3D-printer handleiding die er is.
Hoe werkt een 3D-printservice
Bij DTSS-3D bouwen we aan de slimste productieoplossing ter wereld. Een van onze belangrijkste aanbiedingen is onze service voor metaal 3D-printen.
Door ons wereldwijde netwerk van productieservices te combineren met onze slimme bevoorradingsmachine, krijgt u direct inzage in de huidige productiecapaciteit voor 3D-printen in uw omgeving, met de beste offertes en levertijden.
Als u een onderdeel upload, controleert onze eigen maakbaarheidsanalysesoftware ("Design for Manufacturing"-software, DFM), voordat de productie van start gaat, op potentiële problemen in het ontwerp, waardoor kosten en vertragingen tot een minimum worden beperkt.
Zo weet u zeker dat u voor uw metaal 3D-geprinte onderdelen altijd de beste prijs en snelste levertijd krijgt.
Part 6
Nuttige hulpmiddelen
In deze handleiding hebben we alles behandeld dat u nodig hebt om aan de slag te gaan met 3D-printen, maar er valt nog veel meer te leren.
Hieronder vermelden we, voor degenen die dieper op de stof in willen gaan, een lijst met de beste en nuttigste hulpmiddelen voor 3D-printen en andere digitale productietechnologieën.
Kennisbank
Hier hebben we alles benoemd dat u nodig hebt om te beginnen met 3D-printen. Er is echter nog veel meer te leren in onze Kennisbank - een verzameling technische artikelen over alle productietechnologieën, geschreven door experts van DTSS-3D en de productie-industrie.
Hier volgt een selectie van onze populairste artikelen over 3D-printen:
The 3D Printing Handbook
Als u een professional bent die zich bepaalde belangrijke aspecten van 3D-printen meester wil maken, dan is dit boek voor u.
Wat staat erin:
- Inzichten in het mechanisme achter alle grote 3D-printtechnologieën.
- Uitleg over de voordelen en beperkingen van elk van de technologieën.
- Besluitvormingsinstrumenten voor technologieselectie.
- Bruikbare ontwerpadviezen en -richtlijnen.
- Casestudies binnen de industrie door toonaangevende merken.
Handleidingen voor andere productietechnologieën
Wilt u meer te weten komen over digitale productie? Er zijn meer technologieën om te verkennen: