3D-printen voor additieve productie - wat u moet weten

Er is veel verwarring over wat de termen additive manufacturing en 3D-printen gemeen.

En dat is niet verwonderlijk. Beide termen hebben immers betrekking op zeer vergelijkbare processen.

Zowel additieve fabricage als 3D-printen beschrijven een proces waarbij objecten worden gemaakt door geleidelijk dunne lagen materiaal op te bouwen.

In dit artikel leggen we precies uit wat additive manufacturing en 3D-printen zijn, hoe ze zich tot elkaar verhouden en waarvoor ze worden gebruikt.

Waar wordt additieve productie voor gebruikt bij 3D-printen?

In de traditionele productie worden onderdelen vaak uit grotere blokken materiaal vervaardigd. Met andere woorden, er wordt materiaal afgetrokken van het startblok om het onderdeel te vormen. Dit zorgt natuurlijk voor veel afval. Als je ooit een video hebt gezien van een machinist die een massief blok metaal of hout in een afgewerkt onderdeel verandert, was je waarschijnlijk getroffen door de enorme hoeveelheid verspild materiaal.

Bij additieve fabricage daarentegen worden onderdelen gemaakt door materiaallagen op te bouwen om het afgewerkte onderdeel te vormen. Hoe werkt het? Dat hangt af van het type van additieve fabricage gebruikt.

Volgens de American Society for Testing and Materials (ASTM) zijn er zeven categorieën van additive manufacturing:

1. BTW-fotopolymerisatie — objecten zijn opgebouwd uit lagen vloeibare fotopolymeerhars, die wordt uitgehard met ultraviolet licht.
2. Poederbed Fusion — objecten worden opgebouwd uit lagen materiaalpoeder en gesmolten (of ‘gesmolten’) met behulp van hitte of een krachtige laser. Veelgebruikte technieken zijn onder meer selectieve lasersintering (SLS).
3. Materiaalspuiten — elke laag van een object wordt geconstrueerd met behulp van een printkop, die druppeltjes van een vloeibaar materiaal op een bouwoppervlak afzet waar ze snel stollen. Eenmaal voltooid, wordt elke laag uitgehard met ultraviolet licht.
4. Lamineren van vellen — objecten zijn gemaakt van platen of linten van metaal, die met ultrasoon lassen aan elkaar zijn verbonden. Lamineren van platen is geen volledig additieve techniek, aangezien overtollig materiaal meestal moet worden verwijderd met behulp van traditionele productietechnieken zoals CNC-bewerking.
5. Materiaal extrusie — materiaal wordt door een mondstuk getrokken, waar het wordt verwarmd en in lagen op een bouwplatform wordt gedeponeerd. In dit geval is er geen extra proces nodig om de lagen uit te harden, aangezien elke laag in gesmolten toestand wordt afgezet.
6. Gerichte energieafzetting — DED omvat een reeks complexe additieve fabricagetechnieken die worden gebruikt om bestaande componenten te repareren of materiaal toe te voegen. In de meeste implementaties wordt een gesmolten materiaal via een mondstuk op het doeloppervlak afgezet, waar het stolt. Het proces is in principe vergelijkbaar met materiaalextrusie, behalve dat het mondstuk in meerdere richtingen moet kunnen bewegen om rekening te houden met verschillend gevormde doeloppervlakken.
7. Binder Jetting — ook bekend als 3D-printen .

Aangezien dit artikel specifiek is gericht op 3D-printen voor additive manufacturing, zullen we dit artikel nader bekijken.

Wat is het Additive Manufacturing (3D Printing)-proces?

Bij 3D-printen worden twee materialen gebruikt:

1. Een materiaal op poederbasis, meestal plastic, metaal of keramiek, en;
2. Een bindmiddel dat werkt als een hechtmiddel tussen lagen poeder. De meeste bindmiddelen komen in vloeibare vorm.

De term 3D-printen komt van de visuele gelijkenis van binder jetting met 2D-printen. In een standaard inkjetprinter beweegt een printkop horizontaal langs de X- en Y-assen om inktdruppels op een stuk papier af te zetten.

Evenzo, om een ​​object te bouwen met behulp van 3D-printen, beweegt de printkop horizontaal langs de X- en Y-assen van de machine en zet afwisselend lagen van het bouwmateriaal en het bindmateriaal af. Nadat elke laag is voltooid, wordt het bouwplatform waarop het object staat een fractie verlaagd om de volgende laag te kunnen printen.

Afhankelijk van de grootte van het object dat wordt afgedrukt, kunnen honderden, duizenden of zelfs tienduizenden van deze lagen nodig zijn om te voltooien. Bekijk deze timelapse-video van een 3D-geprint Eiffeltorenmodel om je een idee te geven van hoe het proces eruitziet.

Belang van additieve productie en 3D-printsoftware

Alle additieve fabricagetechnieken, inclusief 3D-printen, zijn afhankelijk van digitale ontwerptechnieken zoals Computer-Aided Design (CAD). In feite is het hele doel van 3D-printen is om digitale ontwerpen om te zetten in echte objecten.

In het verleden gebruikten ingenieurs CAD-software in combinatie met rigoureuze simulatiemodelleringstechnieken om objecten te ontwerpen die robuust en effectief zouden zijn in de echte wereld. Maar er was een probleem. Traditionele productietechnieken zoals CNC-bewerking en spuitgieten hebben bepaalde beperkingen, waardoor produceren die anders 'perfecte' objecten onmogelijk.

Hier komt de harmonieuze relatie tussen CAD en 3D-printen om de hoek kijken. Een van de belangrijkste voordelen van 3D-printen is dat digitale ontwerpen in de echte wereld kunnen worden geproduceerd zonder de beperkingen van traditionele productietechnieken.

CAD- en 3D-printen zorgen ervoor dat de productie gestuurd kan worden door ontwerp , terwijl historisch gezien het ontwerpproces moest worden aangedreven door wat mogelijk was met behulp van conventionele productietechnieken. Dit geeft ingenieurs veel meer ontwerpvrijheid dan ooit tevoren en heeft geleid tot enorme doorbraken in een aantal industrieën.

Hoewel de meeste commerciële CAD-software een module voor Additive Manufacturing hebben geïntroduceerd, is het vrij eenvoudig om uw eigen CAD-toepassing voor Additive Manufacturing te bouwen met 3D SDK's van Spatial. Kijk op www.spatial.com voor meer informatie.

Meer informatie over het verschil tussen additieve productie en 3D-printen

1. De 7 belangrijkste soorten additieve productie
2. 6 medische doorbraken in 3D-printen
3. Hoe CAD volledig te benutten in het additieve fabricageproces

Voordelen van additieve productie voor 3D-printen ten opzichte van traditionele productietechnieken

Natuurlijk is ontwerpvrijheid niet het enige voordeel dat 3D-printen heeft ten opzichte van traditionele productietechnieken. Enkele van de andere topvoordelen zijn:

• Maak complexe maar lichtgewicht constructies met additive manufacturing en 3D-printmaterialen.

We hebben al opgemerkt dat 3D-printen het mogelijk maakt om objecten te bouwen die niet met traditionele technieken kunnen worden gebouwd. Het is echter ook vermeldenswaard dat, omdat ze laag voor laag zijn opgebouwd, zeer complexe onderdelen in één stuk kunnen worden gebouwd. Tegelijkertijd kunnen, vanwege het scala aan beschikbare materialen, zelfs complexe 3D-geprinte onderdelen zowel een laag gewicht als een hoge treksterkte hebben.

• Het is goedkoper voor eenmalige builds.

Een van de grote voordelen van 3D-printen is dat er geen mallen of speciale montage-installaties voor nodig zijn. Hierdoor kunnen kleine series eenmalige objecten eenvoudig en tegen veel lagere kosten worden geproduceerd.

• Minder afval.

Zoals reeds opgemerkt, is 3D-printen een toevoeging fabricagetechniek, terwijl bij veel traditionele technieken de extractie van het materiaal betrokken is . Dit feit alleen al betekent dat 3D-printen veel minder afval oplevert dan andere gangbare productietechnieken.

• Sneller time-to-market.

Simpel gezegd, geen enkele andere techniek stelt fabrikanten in staat om objecten zo snel te ontwerpen en te bouwen als 3D-printen. Dit is vooral waardevol als het gaat om het bouwen en testen van prototypes. Om deze reden is 3D-printen synoniem geworden met een van de meest voorkomende toepassingen:rapid prototyping.

3D-printen voor additieve productie gebruikt voor het bouwen van snelle prototypes

Rapid prototyping is eenvoudigweg de snelle productie van een fysiek object, onderdeel of model.

Elke productietechniek kan worden gebruikt bij rapid prototyping, van traditionele productietechnieken zoals CNC-bewerking tot modernere technieken zoals 3D-lassen. Om voor de hand liggende redenen worden echter additieve technologieën zoals 3D-printen het meest gebruikt.

Zoals de naam al aangeeft, wordt rapid prototyping voornamelijk gebruikt om een ​​reeks prototypes te bouwen, die snel kunnen worden getest en weggegooid totdat het beste ontwerp is gevonden. Deze iteratieve benadering van ontwerp en productie is altijd populair geweest en is alleen maar effectiever geworden met de evolutie van additieve productieprocessen.

Rapid prototyping heeft drie duidelijke voordelen voor fabrikanten wanneer het wordt gecombineerd met 3D-printen:

• Het is zeer kosteneffectief. Het grootste deel van het proces is geautomatiseerd, dus er is weinig personeel nodig om het proces te voltooien. Evenzo zijn de materialen en productieprocessen goedkoper om op te zetten dan het geval zou zijn met alternatieve productietechnieken.

• Snelheid. Rapid prototyping helpt fabrikanten ontwerpen sneller dan ooit tevoren te produceren en weg te gooien, te leren van elke iteratie en steeds dichter bij het eindproduct te komen. Dit vertaalt zich in een snellere time-to-market (TTM), wat vaak een aanzienlijk concurrentievoordeel is.

• Verlaagd risico. Fouten in de productie kunnen zeer kostbaar zijn. Vanwege de lage kosten en tijdsinvestering die nodig zijn om extra prototypes te produceren, vermindert rapid prototyping het risico op kostbare fouten tijdens de massaproductiefase drastisch.

Waar wordt 3D-printen voor gebruikt?

Op dit moment heeft de meeste hype en media-aandacht voor 3D-printen, afgezien van de productie, de consumententoepassingen omringd. Het is onmiskenbaar 'netjes' dat iedereen met een laptop en minder dan duizend dollar bijna elk object kan ontwerpen en bouwen dat ze maar kunnen bedenken.

De echte waarde van 3D-printen ligt echter in de commerciële toepassingen ervan. Enkele van de belangrijkste industrieën die profiteren van 3D-printen zijn:

Luchtvaart en ruimtevaart — 3D-printen heeft duidelijke voordelen voor de luchtvaartindustrie. Het stelt luchtvaartbedrijven vooral in staat om snel en tegen lage kosten prototypes te bouwen en daarbij gebruik te maken van sterke, lichtgewicht materialen. Op dit moment wordt 3D-printen gebruikt om alles te vervaardigen, van interne onderdelen zoals tafels voor rugleuningen en hoofdsteunen tot motoronderdelen en bewapening.

Met de ontwikkeling van steeds grotere 3D-printers, kunnen we verwachten dat in de nabije toekomst nog meer componenten worden gebouwd met behulp van 3D-printen - misschien zelfs een hele vliegtuigmotor.

Gezondheidszorg — In het verleden was de beschikbaarheid van implantaten en protheses een aanzienlijke en kostbare hindernis voor de patiëntenzorg. Sinds enkele jaren wordt 3D-printen echter gebruikt bij de ontwikkeling van een breed scala aan chirurgische snijgeleiders, protheses en zelfs patiëntspecifieke implantaten.

Naarmate materialen zijn geëvolueerd, is de industrie in staat geweest om 3D-printen te gebruiken om steeds lichtere, sterkere en veiligere producten te bouwen en tegelijkertijd de doorlooptijden en kosten te verminderen.

Automobiel — Al tientallen jaren gebruikt de auto-industrie 3D-printen en andere additieve fabricagetechnieken om prototypes te produceren. Aanvankelijk was dit het enige haalbare gebruik voor 3D-printen in de auto-industrie, omdat de beschikbare materialen niet robuust genoeg waren voor gebruik in de echte wereld.

Naarmate materialen zijn geëvolueerd, heeft 3D-printen echter een grotere rol gespeeld in de industrie. Nu wordt de techniek routinematig gebruikt om een ​​verscheidenheid aan mallen, thermovormgereedschappen, grepen, mallen en armaturen te produceren die nodig zijn tijdens de productie. Met andere woorden, 3D-printen wordt gebruikt om andere productietechnieken te verbeteren.

Maar dat is niet alles. 3D-printen is ook van onschatbare waarde voor het produceren van op maat gemaakte onderdelen zoals carrosserieën en interne componenten die worden gebruikt om specifieke voertuigen op maat te maken.

Architectuur — De architectuurindustrie vertrouwt op schaalmodellen om klanten en investeerders te laten zien hoe een project eruit zal zien als het eenmaal is gebouwd. Deze modellen zijn van oudsher met de hand gebouwd en hadden vaak honderden manuren nodig om te voltooien. Natuurlijk heeft 3D-printen alles veranderd.

Aangezien architectuurprojecten al ontworpen met behulp van computersoftware, zijn ze natuurlijke kandidaten voor 3D-printen. Zodra een CAD-bestand eenmaal is voltooid, kan het direct worden verzonden om af te drukken, wat enorm veel tijd bespaart en een nauwkeurige modelreplica garandeert.

Wat biedt de toekomst voor 3D-printen en additieve productie?

Tot nu toe is de wijdverbreide commerciële acceptatie beperkt gebleven tot industrieën die al bekend staan ​​als baanbrekend op het gebied van technologie, met name productie, luchtvaart, auto's en gezondheidszorg.

Omdat hardware en materialen steeds beter worden, lijdt het geen twijfel dat 3D-printen de komende jaren zal blijven groeien.

Van 3D-geprinte huizen tot auto's, het zal niet lang duren voordat bijna alles wat we dagelijks gebruiken, kan worden gebouwd met deze schijnbaar ruimtetijdperk-techniek.