Introductie tot 3D-printen: kenmerken, processen en technologieën
Inleiding
3D-printen is een proces waarbij onder computerbesturing materiaal wordt samengevoegd of gestold tot een driedimensionaal object, meestal laag voor laag. In de jaren ’90 werden 3D-printtechnieken alleen geschikt geacht voor de productie van functionele of esthetische prototypes. In die tijd werd de techniek bijgevolg de naam ‘rapid prototyping’ toegedicht. Vandaag de dag zijn de precisie, de herhaalbaarheid en het materiaalbereik zodanig toegenomen dat 3D-printen wordt beschouwd als een industriële productietechnologie met de naam ‘additive manufacturing’ (AM).
Die laatste term beschrijft in feite exact hoe deze technologie werkt om objecten te maken. ‘Additief’ verwijst naar de opeenvolgende toevoeging van dunne lagen van 10 tot 200 micron om een object te maken.
Het hele printproces wordt ook altijd gestart met een digitaal model van het te produceren stuk. Dat 3D-bestand kan gemaakt worden met behulp van CAD-software (eventueel op basis van een 3D-scan) of eenvoudigweg gedownload worden van een online marktplaats.
De tweede stap behelst het eigenlijke printproces. Het gekozen materiaal voor het project bepaalt welke printmethoden het meest geschikt zijn. De verscheidenheid aan materialen die gebruikt worden in 3D printen is groot. Het aanbod omvat onder meer kunststoffen, harsen en metalen, maar ook keramiek, zand, textiel, biomaterialen en glas behoren tot de mogelijkheden. Sommige andere, zoals glas bijvoorbeeld, worden nog steeds ontwikkeld als 3D-printmateriaal en zijn nog niet gemakkelijk toegankelijk. In het inzetstuk hieronder worden de meest gebruikte technieken beschreven. Tenslotte moeten geprinte stukken vaak nog worden nabewerkt.
Drijfveren om te gaan voor 3D-printen
Wanneer wordt 3D-printen als maaktechnologie competitief? Zoals zo vaak het geval is, is die vraag niet te beantwoorden met een eenvoudig antwoord. De kostprijs is onder meer afhankelijk van de gebruikte materialen, de grootte van het object, en de productieaantallen.
Algemeen gesteld stijgen de prijzen exponentieel wanneer de grootte van het object toeneemt. Grote stukken lenen zich vaak niet echt voor 3D-printen. Complexiteit is daarentegen geen probleem: in theorie zijn AM-ontwerpen zo goed als vrij van beperkingen. Nagenoeg elke denkbare vorm kan geproduceerd worden, en die complexiteit heeft quasi geen invloed op prijs of productietijd.
Als productietechnologie heeft 3D-printen bovendien geen matrijzen of andere gereedschappen nodig die bij een specifiek ontwerp horen. Door die snelle conversie van CAD naar de fysieke realiteit leent additive manufacturing zich uitstekend voor het produceren van kleine series. Het maken van een eenmalig onderdeel met behulp van spuitgiettechnologie vereist namelijk de productie van de specifieke matrijs, wat hoge productiekosten met zich meebrengt. Dit onderscheidt 3D-printen van productiemethoden als gieten of extruderen.
Dat houdt meteen ook in dat de technologie uitermate geschikt is voor toepassingen waarin elk stuk verschillend is en dus is het ook geen verrassing dat 3D-printing in de medische sector – waar geen twee patiënten identiek zijn – vaak wordt ingezet. Anderzijds is de technologie meestal (maar niet altijd) ongeschikt voor het produceren van grote aantallen identieke stukken (lees: het is vaak niet de goedkoopste oplossing). Het komt er dus op aan 3D-printen in te zetten voor de juiste toepassing.
Andere voorbeelden van succesvolle AM-toepassingen hebben betrekking op gebieden waar de techniek toegevoegde waarde kan genereren zoals gewichtsreductie. 3D-printing stelt de producent in staat materiaal aan te brengen op de plaatsen waar dat nodig is – en enkel daar. Aangezien de luchtvaart- en automobielindustrie het meest te winnen hebben bij gewichtsreductie, zijn zij – naast de medische industrie – de toonaangevende sectoren in 3D-printen.
Niet enkel op het vlak van gewicht, maar ook op vlak van koeling- en stromingsoptimalisatie biedt 3D-printing mogelijkheden: men kan immers interne kanalen voorzien, alweer zonder extra handelingen of bijkomende productiekost. Ook functionele integratie (het in één enkel proces printen van wat voorheen verschillende afzonderlijke componenten waren) kan een drijfveer zijn om te kiezen voor AM. Het cruciale voordeel hierbij is dat de verbindingen tussen de componenten niet kunnen lekken of losraken.
Conclusie
Of 3D-printing de meest (prijs-)efficiënte technologie is voor een bepaalde toepassing, is meestal afhankelijk van het benodigde aantal stuks, de complexiteit en de afmetingen. De drijfveren om voor 3D-printen te kiezen zijn een snellere productiestroom, meer veelzijdigheid in producteigenschappen of een aanzienlijke gewichtsreductie. Dit betekent echter niet dat elk product geschikt is voor 3D-printen. De sleutel is om toepassingen te vinden waar een of meer van deze voordelen kunnen worden bereikt.
De vaakst gebruikte 3D-printtechnologieën
Hoewel er een hele waaier aan 3D-printtechnologieën bestaat, zijn ze in feite allen vergelijkbaar omdat ze steeds vanuit een digitaal bestand laag voor laag een object construeren om complexe vormen te creëren. We zetten kort de belangrijkste op een rij:
Kunststof
Fused Filament Fabrication (FFF) of Fused Deposition Modeling (FDM) is een techniek waarbij laag na laag materiaal aan elkaar wordt gesmolten. Het te printen materiaal – vaak in draadvorm op een spoel gewikkeld (filament) – wordt gesmolten, en door middel van een spuitopening op een platform aangebracht. Door de spuitopening en/of het platform gericht te bewegen wordt de gewenste vorm, laag voor laag, bekomen. Doordat het vloeibare materiaal na het aanbrengen van iedere laag stolt, kan de gewenste vorm opgebouwd worden. Beschikbare materialen zijn onder meer ABS, Nylon, PC, PEEK, PET, PLA en TPU.
Bij Stereolithografie (SLA) gebruikt men een vloeistofbad met daarin een UV-gevoelig polymeer (meestal een vloeibare hars). Een laser belicht het polymeer laag na laag, waardoor de vloeistof uithard daar waar het met de UV-laser belicht wordt. Zo wordt er uiteindelijk een product gecreëerd dat zeer harde eigenschappen heeft en tegelijkertijd ook een oppervlak heeft dat zeer glad is. Daarom wordt de SLA-technologie vaak gebruikt voor producten waarbij hoge eisen worden gesteld aan nauwkeurigheid en de kwaliteit van productoppervlak.
SLS staat dan weer voor Selective Laser Sintering. Hetis een printtechniek die gebruik maakt van een laser om kleine deeltjes kunststof samen te smelten tot een massa die een gewenste driedimensionale vorm heeft. Op een poederbed wordt een dun een laagje kunststofpoeder gedoseerd. De laser verhit op selectieve wijze het poedervormig materiaal, waarna het plaatselijk aan elkaar gesinterd wordt door de laser en weer verhardt. Bij het sinteren worden de materiaalkorrels tot een temperatuur gebracht waarop ze net niet smelten. Op die manier groeien de contactpunten tussen de korrels, waardoor een zeer hard materiaal kan ontstaan. Daarnawordt een nieuw laagje poeder op de bovenkant aangebrachten herhaalt het proces zich, waardoor uiteindelijk (laag voor laag) een object ontstaat. Na het volledige proces wordt het product uit het bouwvolume gehaald en het overtollige poeder weggehaald. Er wordt vaak geprint in polyamide, maar ook alumide of polypropyleen behoren tot de mogelijkheden.
Metaal
Gelijkaardige poederbedfusietechnieken worden gebruikt om deeltjes metaal aan elkaar te versmelten: een laag geatomiseerd metaalpoeder wordt op welbepaalde plaatsen gesmolten en zo aan elkaar gehecht. Er wordt vervolgens een nieuwe laag poeder gelegd, en het proces wordt herhaald om een stuk op te bouwen.
Poederbedfusie voor metaal wordt zelf verder ingedeeld volgens het proces; de bekendste methode is Selective Laser Melting (SLM) waarbij het poeder door middel van een laser aan elkaar wordt gesmolten. Het is, met ruime voorsprong, de meest toegepaste technologie voor metaalprints. Printen kan onder meer in verschillende soorten staal, aluminium, titanium, Inconel of exotischere metalen zoals wolfraam.
Bij Directed Energy Deposition (DED) wordt door een spuitstuk poeder of draad aangevoerd, die gesmolten wordt en gedeponeerd op een substraat of de vorige laag. Momenteel zijn er systemen beschikbaar waarbij de energie wordt geleverd door een laser, elektronenbundel of plasmatoorts.
Tenslotte is er ook nog Binder Jetting: bij deze technologie wordt een vloeibaar bindmiddel op een oppervlak aangebracht met een systeem vergelijkbaar met inkjet. Rechtstreeks uit de printer hebben deze onderdelen vaak slechte mechanische eigenschappen (ze zijn zeer bros) en een hoge porositeit. Daarom worden de stukken na dit proces normaalgezien nog thermisch nabehandeld.
Meer informatie vind je terug in ons artikel over de mogelijkheden in metaalprinten.