Kan 3D-printen met meerdere materialen de volgende stap zijn voor AM?

Multi-materiaal 3D-printen is een innovatieve additieve fabricagetechniek waarmee objecten met verschillende materialen en eigenschappen kunnen worden gemaakt. Door meer complexiteit aan een onderdeel toe te voegen, kan 3D-printen met meerdere materialen de prestaties en functionaliteit van onderdelen aanzienlijk verbeteren. De technologie opent daarom een ​​heel nieuw scala aan ontwerp- en productiemogelijkheden - en maakt het mogelijk om objecten te creëren die anders onmogelijk zouden zijn.

Momenteel is 3D-printen met meerdere materialen mogelijk met een reeks kunststoffen, polymeren en zelfs siliconen, waardoor het een ideale oplossing is voor het produceren van realistische, full-colour prototypes en conceptmodellen. In deze zelfstudie gaan we dieper in op de voordelen van 3D-printen met meerdere materialen, de huidige processen die beschikbaar zijn en de meest voorkomende gebruiksscenario's en toepassingen.

Wat zijn de voordelen van 3D-printen met meerdere materialen?

Een van de belangrijkste voordelen van 3D-printen met meerdere materialen is dat complexe onderdelen met:verschillende materiaaleigenschappen kunnen in één enkel drukproces worden gecreëerd. Dit verschilt van onderdelen uit één materiaal, die moeten worden geassembleerd om een ​​onderdeel met verschillende materiaaleigenschappen te creëren. 3D-printen met meerdere materialen kan daarom het aantal stappen verminderen dat nodig is om een ​​object te produceren, wat resulteert in een snellere productontwikkelingscyclus.

Ontwerpers en fabrikanten kunnen ook enorm profiteren van 3D-printen met meerdere materialen, omdat het combineren van verschillende materiaaleigenschappen (zoals doorschijnendheid en stijfheid) binnen één onderdeel ontwerpvalidatie en functionele testen naar een hoger niveau kan tillen.

Een ander voordeel van het gebruik van verschillende materialen bij 3D-printen is de mogelijkheid om kleurgradaties te creëren. Door materialen in verschillende verhoudingen te mengen, kunnen verschillende kleurencombinaties en tinten worden bereikt zonder dat er achteraf moet worden geverfd, wat tijd bespaart tijdens de nabewerkingsfase.

Hoe werkt 3D-printen met meerdere materialen?

Met multi-materiaal 3D-printen kunnen verschillende materialen worden gebruikt binnen een enkel 3D-geprint object. Hoewel 3D-printen met meerdere materialen momenteel in staat is om materialen zoals thermoplasten en polymeren te verwerken, is het combineren van verschillende metalen of keramiek op dit moment nog niet mogelijk.

Tegenwoordig bieden bedrijven als Stratasys en 3D Systems multi-materiaal 3D-printoplossingen voor prototyping- en modelleringsdoeleinden. Het Connex multi-materiaalsysteem van Stratasys biedt bijvoorbeeld de volgende afdrukopties:

• Gemengde bak :Met deze optie kunt u meerdere onderdelen van verschillende materialen – en dus verschillende eigenschappen – tegelijkertijd produceren binnen één build. De optie met gemengde trays is mogelijk een ideale optie voor bedrijven die prototypes van grote volumes nodig hebben.
• Gemengd deel: Multi-materiaal 3D-printers kunnen ook onderdelen printen met verschillende eigenschappen in specifieke gebieden. Bovendien elimineert het combineren van materialen binnen een onderdeel de noodzaak om vervolgens afzonderlijke onderdelen te monteren.
• Digitale materialen: Gemaakt door twee of meer materialen te mengen, worden digitale materialen gebruikt om een ​​object te creëren met verbeterde eigenschappen en uiterlijk dat niet kan worden bereikt als een onderdeel in een enkel materiaal 3D wordt geprint.

Welke technologieën worden gebruikt voor 3D-printen met meerdere materialen?

Momenteel is material jetting de meest gebruikte technologie voor 3D-printen van meerdere materialen. Bij material jetting zetten printkoppen druppeltjes van een lichtgevoelig materiaal (of een mix van materialen of verschillende materialen door verschillende printkoppen) af die uitharden onder ultraviolet (UV) licht. Het onderdeel wordt vervolgens laag voor laag gemaakt met behulp van dit proces.

Stratasys en 3D Systems zijn de toonaangevende fabrikanten van multi-materiaal 3D-printers op basis van material jetting-technologie. Het Connex™ 3D-printsysteem van Stratasys werkt bijvoorbeeld door twee of drie verschillende plastic materialen te spuiten tijdens het 3D-printproces. Het resultaat is dat het voltooide onderdeel tegelijkertijd verschillende eigenschappen (zoals stijfheid en flexibiliteit) bezit.

Welke materialen kunnen worden gebruikt voor 3D-printen met meerdere materialen?

Momenteel zijn de meest algemeen beschikbare materiaalopties voor 3D-printen met meerdere materialen op acryl gebaseerde fotopolymeerharsen en composieten van harde kunststoffen en elastomeren. Zo onthulde 3D Systems vorig jaar een nieuwe grootformaat multi-materiaal ProJet MJP 5600 3D-printer, die werkt met een reeks plastic harsen en hun combinaties om volledig geassembleerde prototypes en complexe geometrieën met meerdere materiaaleigenschappen te creëren.

Hoewel de mechanische eigenschappen van de materialen kunnen variëren, betekent de vooruitgang in 3D-printmaterialen dat er ook composieten van technische kwaliteit beschikbaar zijn.

Een van de nieuwste innovaties op het gebied van 3D-printen met meerdere materialen is 3D-printen met siliconen, een technologie die is ontwikkeld door ACEO®, een dochteronderneming van Wacker Chemie AG en een lange tijd gebruiker van RP Platform. De innovatieve siliconentechnologie van ACEO® maakt de productie mogelijk van siliconenonderdelen met verschillende kleuren, hardheden en eigenschappen. Een nuttige toepassing hiervan is het maken van siliconen die isolerende en geleidende eigenschappen hebben, omdat hiermee een samengesteld onderdeel met geïntegreerde elektrische geleidbaarheid kan worden gemaakt.

Toepassingen van 3D-printen met meerdere materialen

De mogelijkheden van 3D-printen met meerdere materialen zijn werkelijk eindeloos, met een breed scala aan use-cases in consumenten-, medische en andere industrieën.

Momenteel wordt multi-materiaal 3D-printen vooral gebruikt tijdens productontwikkeling. Het bedrijf voor zwemkleding, Speedo, heeft de technologie bijvoorbeeld gebruikt om items zoals een bril en andere zwemkleding te maken als onderdeel van de productontwerpcyclus. Het maken van andere producten, zoals functionele prototypes van afdichtingen, pakkingen, banden en schoenzolen, is ook mogelijk met 3D-printen van meerdere materialen, waarbij de technologie wordt gebruikt om het ontwerp en de functie van het product te testen en te verifiëren voordat het in productie gaat.

Omdat 3D-printen met meerdere materialen doorschijnende en ondoorzichtige materialen kan combineren, heeft de medische industrie de technologie omarmd om realistische anatomische modellen voor educatieve doeleinden te creëren, evenals patiëntspecifieke modellen voor pre-operatieve planning en training. De technologie maakt het ook mogelijk om doorschijnende onderdelen te maken met interne gekleurde structuren, die kunnen worden gebruikt om vloeistofstromen te visualiseren of om medische apparaten te testen.

Werktuigbouwkundigen in de automobiel-, ruimtevaart- en andere industrieën kunnen 3D-printen met meerdere materialen gebruiken om functionele prototypes te creëren met de uitstraling van het eindproduct (kleuren, labels enz.). Daarnaast maakt 3D-printen met meerdere materialen het mogelijk om mallen te maken voor korte series spuitgieten en gereedschappen zonder montage.

Een interessant element van geavanceerd 3D-printen met meerdere materialen is de mogelijkheid om onderdelen met geïntegreerde functies te maken, wat vooral handig is voor elektronische apparaten. Nano Dimension Ltd. heeft onlangs een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van multi-materiaal 3D-printinkten. Geleidende en diëlektrische inkten kunnen nu gelijktijdig worden gebruikt om elektrisch functionele onderdelen, circuits en antennes te vervaardigen.

Uitdagingen

Hoewel 3D-printen met meerdere materialen momenteel voornamelijk wordt gebruikt voor prototyping, heeft het een enorm potentieel voor de productie van onderdelen die uit verschillende materialen zijn samengesteld en een combinatie van mechanische eigenschappen hebben. Er wordt daarom voortdurend onderzoek gedaan naar hoe de bestaande uitdagingen voor het 3D-printen van functionele onderdelen met meerdere materialen kunnen worden overwonnen.

De moeilijkheid ligt in het ontwikkelen van een schaalbaar en herhaalbaar productieproces dat hoogwaardige eindstukken uit meerdere materialen kan opleveren. Dit is met name een uitdaging voor metalen en keramiek, omdat er duidelijke fysieke beperkingen zijn bij het samensmelten van twee materialen die bijvoorbeeld verschillende smelttemperaturen en andere materiaaleigenschappen hebben.

Het in België gevestigde bedrijf Aerosint beweert echter een uniek poederbedproces met meerdere materialen te hebben ontwikkeld om einddelen te produceren, met metalen in het zicht. De technologie, die werkt met polymeren, regelt de verdeling van twee verschillende soorten poeders op voxelniveau, die vervolgens aan elkaar worden gesinterd.

Vooruitkijken

Een ander fascinerend onderzoeksgebied is bioprinten van meerdere materialen, wat een revolutionaire impact kan hebben op gebieden als weefseltechnologie, regeneratieve geneeskunde en biosensing.

Tegenwoordig biedt 3D-printen met meerdere materialen echter enorme mogelijkheden voor productontwikkeling en validatietesten, aangezien de technologie het mogelijk maakt om realistische 3D-geprinte modellen en prototypes met verschillende eigenschappen te creëren.

Uiteindelijk zal de volgende stap voor multi-materiaal 3D-printen zijn hoe succesvol de overstap kan worden gemaakt naar de productie van eindonderdelen met geïntegreerde functies en verbeterde mechanische eigenschappen. Dit ontwikkelingsgebied, dat al veel activiteit op het gebied van onderzoek kent, zal het potentieel van additive manufacturing naar nieuwe horizonten uitbreiden.