De zeven soorten additieve productie begrijpen

Additive Manufacturing (AM), ook bekend als 3D-printen, bouwt onderdelen via een CAD-gegenereerd 3D-model door enkele lagen materiaal toe te voegen en de lagen samen te smelten. AM kwam voor het eerst op in 1987 en is sindsdien gestaag gegroeid, met meer sprongen in de afgelopen jaren. Terwijl bedrijven nieuwe AM-technieken bedenken en introduceren, hebben ze de neiging om unieke marketingtermen voor hun proces te creëren, ook al zijn de kerntechnieken vergelijkbaar. Het hebben van verschillende namen voor vergelijkbare methoden kan gemakkelijk leiden tot verwarring op de markt. In de post zullen we de kerntechnieken en hun voor- en nadelen identificeren.

Volgens ISO/ASTM-normen verdeelt AM de technieken die worden gebruikt om de lagen te maken in zeven categorieën, waarvan de eerste vier op de lijst geschikt zijn voor metalen.

1. Binderstralen
2. Gerichte energieafzetting
3. Poederbed Fusion
4. Lamineren van vellen
5. Materiaal extrusie
6. Materiaalspuiten
7. Btw-fotopolymerisatie

1. Bindmiddelspuiten

Uniek in AM omdat het geen warmte gebruikt tijdens het smeltproces van materialen. Een bindvloeistof of bindmiddel wordt selectief afgezet, die het poedermateriaal samenvoegt om het 3D-deel te vormen. Afhankelijk van het type poeder, het gebruikte systeem of de toepassingsvereisten van de klant bepalen de keuze van het soort bindmiddel. Het proces begint met het poedermateriaal dat met een roller over het bouwplatform wordt verspreid en de printkop deponeert het bindmiddel op het poeder waar gespecificeerd. Het bouwplatform gaat omlaag om de volgende laag mogelijk te maken en het proces wordt herhaald totdat het item is voltooid. Al het ongebonden poeder wordt verwijderd.

Voordelen van Binder Jetting

• Mogelijkheid om onderdelen te maken met verschillende kleuren
• Gebruikt een reeks materialen:metaal, polymeren en keramiek
• Sneller AM-proces
• Geen kromtrekken of krimpen van onderdelen
• Minder afval door ongebruikt poeder te hergebruiken
• Beschikt over een methode met twee materialen die verschillende combinaties van bindmiddel en poeder mogelijk maakt

Nadelen van Binder Jetting

• Onderdelen vereisen nabewerking, wat veel tijd toevoegt aan het totale proces
• Lage sterkte van het onderdeel, niet altijd geschikt voor structurele onderdelen
• Minder nauwkeurig dan Material Jetting

2. Gerichte energiedepositie (DED)

DED creëert 3D-objecten door het smelten en neerslaan van materialen op poeder- of draadbasis uit een gerichte thermische energiebron, waaronder laser, elektronenstraal of plasmaboog. Hoewel het proces metalen, keramische en polymeeronderdelen kan maken, wordt het voornamelijk gebruikt voor metalen onderdelen en in meer hybride productie waarbij het substraatbed beweegbaar is om complexe vormen te creëren. DED wordt ook wel laser metal deposition (LMD), 3D laser cladding of direct light fabricage genoemd vanwege de verschillende energiebronnen en het uiteindelijke gebruik. Ten slotte wordt het, op basis van hoe het proces werkt, voornamelijk gebruikt voor het repareren of herstellen van bestaande onderdelen door waar nodig materiaal toe te voegen.

Voordelen van DED

• Sterke en dichte delen
• Snel bouwen
• Vermindering van materiaalverspilling
• Reikwijdte van materiaalkeuze:metaal, keramiek en polymeer
• Materialen zijn gemakkelijk te verwisselen
• Mogelijkheid om onderdelen te maken met aangepaste legeringen
• Onderdelen gebouwd tot bijna netvorm
• Mogelijkheid om grotere onderdelen te bouwen

Nadelen van DED

• De kapitaalkosten voor systemen zijn hoog
• Onderdelen hebben een lagere resolutie, wat resulteert in een slechtere oppervlakteafwerking, waardoor secundaire bewerking nodig is
• Ondersteuningsstructuren zijn niet bruikbaar tijdens het bouwproces

3. Powder Bed Fusion (PBF)

PBF heeft vier categorieën energiebronnen, laser gefuseerd, elektronenstraal gefuseerd, gefuseerd met agent en energie, en thermisch gefuseerd. De energiebron smelt plastic of metaalpoederdeeltjes, die stollen en samensmelten in een patroon om het object te maken. Het poederbedfusieproces maakt gebruik van twee kamers, de bouwkamer en poederkamer, en een coatingroller. Om de objecten te maken, beweegt de coatingroller en verspreidt deze het poedermateriaal over de bouwkamer om een ​​dunne laag poeder af te zetten. Sommige PDF-processen gebruiken een schraper, mes of egaliseerrol na de coatingrol om ervoor te zorgen dat de dikte van de bovenlaag van het materiaal uniform is. Vervolgens smelt de energiebron de afgezette toplaag van de metaalpoederbasis. Wanneer die laag is gescand en samengesmolten, wordt het bouwplatform stapsgewijs neergelaten, tegelijkertijd wordt de poederkamer omhoog gebracht en wordt het proces herhaald totdat het object is voltooid.

Voordelen van PBF

• Lage kosten van machines
• Geen of minimale ondersteuningsstructuren nodig voor de bouw
• Verscheidenheid aan materiaalkeuze
• Meerdere materialen kunnen worden gebruikt
• Kan poeder recyclen

Nadelen van PBF

• Langzame en lange afdruktijd
• Extra nabewerkingstijd
• Zwakere structurele eigenschappen
• Variaties van de kwaliteit van de oppervlaktetextuur
• Ondersteunende bouwplaat kan nodig zijn om kromtrekken te voorkomen
• Snelheid van het printproces kan bepalen of het poeder recyclebaar is
• Thermische vervorming, voornamelijk voor polymeeronderdelen
• Machines gebruiken veel energie om onderdelen te maken

4. Bladlaminering

AM die 3D-objecten bouwt door dunne vellen materiaal te stapelen en te lamineren door middel van lijmen, ultrasoon lassen of hardsolderen. Om de uiteindelijke vorm van het object te creëren, wordt lasersnijden of CNC-bewerking gebruikt. Van alle AM-technologieën produceert dit onderdelen met de minste additieve resolutie of hoeveelheid detail, maar biedt het lage kosten en een snellere productietijd voor snelle prototyping met gebruikmaking van direct beschikbaar, goedkoop materiaal.

Lamineren van vellen kan worden onderverdeeld in zeven soorten:

• Making van gelamineerde objecten (LOM)
• Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM)
• Plastic Sheet Lamineren (PSL)
• Computerondersteunde productie van gelamineerde technische materialen (CAM-LEM)
• Selectieve afzettingslaminering (SDL)
• Composite Based Additive Manufacturing (CBAM)
• Ultrasone Additive Manufacturing (UAM)

Hoewel de soorten plaatlaminering enigszins verschillen, is het algemene principe hetzelfde. Het proces begint met een dun vel materiaal dat vanaf de rol wordt ingevoerd of op het bouwplatform wordt geplaatst. Afhankelijk van het proces kan de volgende laag al dan niet aan de vorige plaat worden gehecht. Gelaagdheid gaat door totdat het de volledige hoogte bereikt. Het verwijderen van het printblok en alle ongewenste buitenranden maken het object compleet.

Voordelen van plaatlaminering

• Relatief lage kosten
• Groter werkgebied
• Kleurafdrukken
• Integreert als hybride productiesystemen
• Gemak van materiaalverwerking
• Mogelijkheid om meerdere materialen te stapelen
• Geen ondersteunende structuren nodig
• In sommige bladlaminering
• Afhankelijk van het gebruikte type techniek, blijft de toestand van het materiaal ongewijzigd
• Sneller printtijd, maar vereist wel nabewerking

Nadelen van lamineren van vellen

• Laaghoogte kan niet worden gewijzigd zonder de plaatdikte te wijzigen
• Afwerkingen kunnen variëren afhankelijk van het materiaal en kunnen nabewerking vereisen
• Beperkte materiaalopties beschikbaar
• Het verwijderen van overtollig materiaal na de lamineerfase kan moeilijk en tijdrovend zijn
• Kan meer afval genereren in vergelijking met andere AM-methoden
• Holle onderdelen zijn een uitdaging om te produceren in sommige soorten plaatlaminering
• De hechtsterkte is afhankelijk van de gebruikte lamineertechniek

5. Materiaal extrusie

Het meest populaire AM-proces in termen van beschikbaarheid voor de algemene vraag en kwaliteit van de consument, maakt gebruik van een continu filament van thermoplastisch of composietmateriaal om 3D-onderdelen te construeren. Het materiaal in de vorm van plastic filament wordt door een extrusiemondstuk gevoerd, waar het wordt verwarmd en vervolgens laag voor laag op het bouwplatform wordt afgezet.

Voordelen van materiaalextrusie

• Brede selectie van printmateriaal
• Eenvoudig te begrijpen druktechniek
• Gebruiksvriendelijke methode voor het wisselen van printmateriaal
• Lage opstart- en bedrijfskosten
• Sneller printtijd voor kleine en dunne onderdelen
• Afdruktolerantie van +/- 0,1 (+/- 0,005″)
• Geen toezicht vereist
• Kleine materiaalafmetingen
• Proces bij lage temperatuur

Nadelen van materiaalextrusie

• Zichtbare laaglijnen
• Extrusiekop in continue beweging of het materiaal stoot tegen
• Ondersteuning kan nodig zijn
• Zwakke deelsterkte langs Z-as
• Verhoogde afdruktijd met een fijnere resolutie en grotere gebieden
• Gevoelbaar voor kromtrekken en andere problemen met temperatuurschommelingen
• Giftige afdrukmaterialen

6. Materiaalspuiten

Een proces waarbij druppeltjes wasachtige materialen selectief worden afgezet op een bouwplatform. Het materiaal koelt af en stolt, waardoor materiaallagen op elkaar kunnen worden gelegd. Na de bouw worden ondersteunende structuren ofwel mechanisch verwijderd of weggesmolten.

Voordelen van materiaalstralen

• Met materiaalstralen kan een uitstekende nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking worden bereikt
• Delen zijn goed voor gebruik in patronen voor gieten

Nadelen van materiaalstralen

• Beperkt aantal wasachtige materialen beschikbaar
• Onderdelen zijn kwetsbaar vanwege wasachtige materialen
• Langzaam bouwproces

7. Vat-fotopolymerisatie

Het proces dat wordt gebruikt om vloeibare fotopolymeerhars laag voor laag in een vat uit te harden, waarbij het met behulp van een ultraviolette (UV) laser in harde plastic onderdelen verandert. De drie meest voorkomende typen van deze technologie zijn stereolithografie, Digital Light Processing (DLP) en Continuous Digital Light Processing (CDLP).

Voordelen van btw-fotopolymerisatie

• Hoge nauwkeurigheid en goede afwerking
• Relatief snel proces
• Grote bouwgebieden

Nadelen van btw-fotopolymerisatie

• Relatief duur
• Lange nabewerkingstijd en verwijdering van hars
• Beperkt tot fotoharsmaterialen
• Kan na het afdrukken nog steeds worden beïnvloed door UV-licht
• Kan ondersteunende structuren en naharding nodig hebben om onderdelen sterk genoeg te maken voor structureel gebruik

Conclusie

Naarmate machines voor additieve productie betaalbaarder worden voor machinewerkplaatsen, leidt de flexibiliteit in ontwerp en materiaaleigenschappen tot een breed scala aan praktische toepassingen en toepassingen. De luchtvaart-, automobiel- en medische industrie zien allemaal voordelen van additive manufacturing. Snelle prototyping, kleine productievolumes en het vermogen om onderdelen te repareren, zijn enkele van de redenen voor de groei van dit type productie.