3D-printen met composietmaterialen: Een praktische gids voor ingenieurs

Additieve manufacturing kan met een breed scala materialen: van high-performance thermoplasten als PEEK tot luchtvaartmetaal als titanium.

Soms willen ingenieurs eigenschappen van twee materialen combineren. Een van de beste manieren is via composieten. Toegepast in processen als FDM en SLS (en nieuwe technologieën), bevatten composietmaterialen typisch een basisthermoplast en een versterkend element zoals koolstofvezel. De verhouding en integratiemethode kunnen varieren.

Naarmate 3D-printtechnologieën verbeteren, wordt het gebruik van printbare composieten wijdereverspreid. Hun toepassing is niet beperkt tot industrie: sommige composieten (SLS-poeders) richten zich op industriële gebruikers, anderen (gehakte vezel-versterkte thermoplasten) werken op mid-range FDM-printers voor consumenten en professionals.

Deze gids introduceert 3D-printen met composietmaterialen. We bekijken populaire materialen en technologieën, het verschil tussen gehakte en continue vezelcomposieten, en de belangrijkste toepassingen en voordelen.

Wat zijn composiet-3D-printmaterialen?

Eenvoudig gezegd: een composietmateriaal bestaat uit twee of meer verschillende materialen. Composiet-specialist Markforged definieert composieten als "gemaakt uit meer dan één materiaal die, gecombineerd, eigenschappen hebben die verschillen van de oorspronkelijke materialen."

Voorbeelden buiten 3D-printen: multiplex (lagen houtfineer) en gewapend beton (beton versterkt met staalstaven).

In 3D-printen zijn composieten meestal een combinatie van een thermoplastische basismateriaal (matrix) en een versterkend element zoals koolstofvezel, glasvezel, grafeen, of kevlar. (Een mengsel van twee thermoplasten, bv. PLA + ABS, heet doorgaans een blend, geen composiet.) Basismaterialen kunnen veelzijdig zijn, maar industriële gebruikers kiezen vaak premium thermoplasten met goede basiseigenschappen: PC, nylon, PEEK.

Composieten kunnen verschillende materiaalvormen aannemen, meest voorkomend: gemengde poeders voor selectieve lasersintering (SLS) en gemengde filamenten voor fused deposition modeling (FDM). Minder algemeen maar spannend: composieten met continue vezels die, via nieuwe processen, tijdens het printen in thermoplastische matrices kunnen worden gedraaid of geweven. Dit vereist meestal twee printkoppen: één voor de thermoplast, één voor de continue vezels. Er zijn ook beperkte composiet harsen voor vat-fotopolymerisatie (SLA), waarbij thermoharsende harsen om een vezelskelet uitharden.

Populaire composiet-3D-printmaterialen

Of in poeder, filament of andere vorm: composieten worden ontwikkeld voor hoge sterkte, hoge stijfheid, goede dimensionale stabiliteit, en goede sterkte-gewichtverhouding. Vezels zijn uitzonderlijk licht en kunnen de sterkte van een thermoplast drastisch verbeteren zonder massa toe te voegen. 3D-geprinte engineering composieten kunnen zelfs metaal vervangen.

Basismaterialen voor FDM-composieten variëren van commodity polymeren als PLA en ABS (goedkoop) tot high-performance polymeren als PEEK (premium). Nylon is het hoofdbasismateriaal voor SLS-composietpoeders (het standaard SLS-materiaal), maar high-performance materialen als PAEK zijn ook mogelijk.

Over het algemeen (ook buiten 3D-printen) is glasvezel het populairste versterkingsmateriaal – en wijdeverbreid in 3D-printcomposieten. Binnen additieve manufacturing zijn koolstofvezels veel vaker gebruikt dan glas, omdat composiet-3D-printen vaak voor kritische toepassingen dient waar de superieure sterkte van koolstof de extra kosten waard is. Andere versterkingsmaterialen: Kevlar en grafeen.

Basismaterialen

• Polyamide / nylon (PA)
• Acrylonitril butadieen styreen (ABS)
• Polylactide (PLA)
• Polycarbonaat (PC)
• Polyetherimide (PEI)
• Polyfeensulfide (PPS)
• Polyetheretherketon (PEEK)
• Polyaryletherketon (PAEK)

Versterkingen

• Koolstofvezel
• Glasvezel
• Glasdeeltjes
• Kevlar
• Grafeen
• Overige metalen

Voorbeelden van gemarkeerde composietmaterialen: EOS PA 640-GSL (PA12 nylon SLS-poeder versterkt met glasdeeltjes en koolstofvezels), 3DXTech CarbonX PETG+CF (PETG FDM-filament met gehakte koolstofvezel), en Markforged Onyx (nylon basismateriaal gevuld met koolstofvezel, optioneel versterkbaar met continue vezels via Markforged's proprietaire technologie).

3D-printprocessen voor composietmaterialen

Behalve enkele uitzonderingen zijn de sleuteltechnologieën voor composiet-3D-printen: fused deposition modeling (FDM), selectieve lasersintering (SLS), en nieuwe technologieën voor continue vezelprinting.

FDM

FDM is het meest gebruikte 3D-printproces voor kunststofonderdelen, en veel mid-range machines verwerken composieten zoals koolstofvezel-versterkte ABS. Composieten voor FDM bestaan uit een thermoplastische basis en (meestal) gehakte, discontinue vezels. Deze versterken en verstevigen onderdelen, maar in grote hoeveelheden kunnen ze het filament moeilijker printbaar maken en de oppervlaktekwaliteit negatief beïnvloeden.

SLS

SLS is een ander kunststof-3D-printproces geschikt voor composietonderdelen. Vanwege kosten en complexiteit van SLS-systemen wordt deze technologie voornamelijk door industriële gebruikers toegepast. Materialen zijn mengsels van thermoplastische poeders (vaak nylon) en versterkende elementen als gehakte vezels of glasdeeltjes. Let op: composiet-SLS-poeders zijn niet universeel; hardwarefabrikanten als EOS maken machines toegewijd aan composietprinten.

Nieuwe continue vezelprocessen

Eén van de meest innovatieve gebieden in additieve manufacturing is het printen van composieten met continue vezels. Bedrijven als Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs, en Anisoprint hebben hardware ontwikkeld die continue vezels in thermoplastische onderdelen integreert tijdens het printen, doorgaans door continue vezels in elke laag te voeren via een aparte printkop.

Gehakte vezel vs continue vezel composieten

Composiet-3D-printmaterialen met versterkende vezels vallen in twee categorieën: gehakte vezelcomposieten en continue vezelcomposieten. Twee composieten met identieke bestanddelen kunnen heel anders presteren, afhankelijk van vezeltype.

• Gehakte vezels zijn kleine strengen versterkend materiaal (koolstof, Kevlar). Meestal < 1 mm lang, eenvoudig in een thermoplastische matrix te mengen (PLA, ABS, etc.), wat de gewone plastic sterker en stijver maakt. Zeer versatile: mengbaar met veel thermoplasten, printbaar op gewone 3D-printers. Nadeel: willekeurige orientatie van elke vezel maakt het materiaal minder sterk dan continue vezelcomposieten.
• Continue vezels zijn langere, unidirectionele strengen die, geïntegreerd in een thermoplastische matrix, ver superieure sterkte bieden. Een vezel kan belasting over zijn hele lengte opvangen en verdelen, dus een langere continue lengte heeft grotere belastbaarheid dan een korte gehakte vezel. Pas de laatste ~5 jaar is continue vezelcomposietprinten mainstream geworden, met meerdere fabricanten die eigen technologieën ontwikkelden. Duurder dan gehakte vezelcomposieten, want speciale hardware is vereist.

Toepassingen van composietmaterialen

Composieten hebben veel toepassingen in diverse industrieën: prototypes, eindgebruiksdelen, en gereedschappen.

Sectoren die additieve manufacturing en 3D-printcomposieten gebruiken: luchtvaart, automotive, electronica, consumentengoederen, medisch, en industriël. Meestal voor hoge-stijfheid onderdelen op kleine schaal (hoewel grootformaat extrusie-hardware composieten kan printen).

Gereedschappen – op kleine of grote schaal – zijn een bijzondere toepassing voor composiet-3D-printen, want versterkte materialen zijn ideaal voor vormen en end-of-arm tooling.

Wat betreft technologieën biedt continue vezel-3D-printen de grootste toepassingsmogelijkheden (vergeleken met FDM of SLS), hoewel het nog in de kinderschoenen staat en minder wijdverspreid is dan gehakte vezeltechnieken.