Inzicht in 3D-printtechnologieën

Van ontwerpprototypes tot prothetische lichaamsdelen, 3D-printen creëert nieuwe mogelijkheden in de productie. 3D-printmachines produceren momenteel alles, van zandafgietsels tot titanium tandheelkundige implantaten en turbinebladen. De hierboven afgebeelde eend, Buttercup, werd geboren met een vreselijk misvormde voet waardoor ze niet kon lopen. Met behulp van een op maat gemaakte 3D-geprinte prothese kan Buttercup nu normaal lopen.

Voordat we nader ingaan op 3D-printen of, zoals het formeel wordt genoemd, 'additive manufacturing', laten we eerst eens kijken naar conventionele, of zoals het soms wordt genoemd, 'subtractive manufacturing'. Dit type conventionele productie, voor zover het het snijden van kunststoffen betreft, is iets waar Craftech goed voor is uitgerust. Bij subtractieve fabricage worden vellen of staven van kunststof verkleind om afgewerkte bevestigingsmiddelen te produceren.

Het snijden van metalen zoals staal is een grotere uitdaging. Wanneer we staal snijden, brengen de bevestigingsmiddelen meestal enige tijd door in een CNC-frees, waar ze in vorm worden gesneden door hardmetalen vingerfrezen. De machine moet extra stijf zijn om nauwe toleranties aan te kunnen. Een van onze fabrieken, een kleine volgens industriestandaarden, weegt bijvoorbeeld ongeveer 26.000 pond. Het maakt gebruik van een motor van 35 pk en heeft stijve boxmanieren. Als de machine zich in gevechtstrim bevindt, kan hij gemakkelijk een duizendste van een inch vasthouden. Het vasthouden van tienden is ook niet uitgesloten, aangezien de spindel en kogelomloopspindels worden afgekoeld tot een constante temperatuur en koelmiddel onder hoge druk door de spindel kan lopen, waardoor we dingen kunnen doen zoals geweerboren. Zo'n molen zou, als hij vandaag zou worden gekocht, ongeveer $ 350.000- $ 400.000 kosten. De werkenvelop is ongeveer 20 "x 40" x 26 "hoog. Iedereen die een van deze beesten programmeert en bestuurt, stelt uiteindelijk altijd dezelfde vraag:waarom kan een machine niet gewoon lagen metaal neerleggen of samensmelten tot een voltooid onderdeel? Zou dat niet veel eenvoudiger zijn? Dat is waar 3D-printen om de hoek komt kijken. 

Bij het benaderen van een 3D-printproject heeft men eerst toegang nodig tot een 3D-modelleringsprogramma, zoals Solidworks of Inventor. Het solide model gemaakt door dergelijke programma's, evenals duurdere programma's zoals Sieman's NX of Pro-E, kan dan worden uitgevoerd in STL-indeling (stereolithografie). De term 'stereolithografie' werd in 1984 gepatenteerd door Charles W. Hull, de man die de taal van het moderne 3D-printen uitvond. De term wordt gedefinieerd als "een systeem voor het genereren van driedimensionale objecten door een dwarsdoorsnedepatroon van het te vormen object te creëren."

Het oorspronkelijke doel van 3D-printen was om extreem kleine objecten met een enorme nauwkeurigheid te kunnen maken. Dit proces wordt microfabricage genoemd. In zekere zin is 3D-printen het resultaat van een combinatie van het CNC-positioneringssysteem dat wordt gebruikt in molens en EDM-machines met de technologie, grotendeels afkomstig van de Semiconductor-industriegroep, waarbij balken werden gebruikt om de resistlaag op printplaten te verstoren, om 3D-functies te produceren. Deze vroege 3D-printtechnologie was in wezen lithografie.

Het duurde niet lang voordat verschillende processen, zoals het LIGA-proces, met grote nauwkeurigheid echte 3D-structuren konden bouwen. Zo werd er een honingraatstructuur van 70 µm hoog gebouwd met celwanden van 8 µm dik. Ook andere zaken, zoals volledig werkende pompen, sloten, etc. zijn op deze manier gebouwd.

Toen deze technologieën eenmaal waren ontwikkeld, was het toneel klaar voor het produceren van grotere artikelen. Laten we nu eens kijken naar de drie belangrijkste technologieën die zijn ontwikkeld voor macroprinten, of het 3D-printen van zichtbare objecten met enige massa.

1) Fused Deposition Modeling (FDM) 

Deze methode is eigenlijk een soort extrusie die meestal wordt gebruikt om ABS of andere plastic modellen te maken. Het kan ook worden gebruikt met eutectische metalen en zelfs eetbare stoffen. Machines die FDM gebruiken, kunnen relatief goedkoop zijn. Er zijn zelfs doe-het-zelf-kits voor degenen voor wie nauwkeurigheid geen grote factor is. Sommigen van jullie zijn misschien bekend met MakerBot, een veelgebruikte FDM-machine.

2) Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Vrijwel elke metaallegering kan worden gebruikt om modellen te maken met deze 3D-printtechniek. Post-Build-problemen verzwakken een deel van de effectiviteit van deze additieve methoden die afhankelijk zijn van sinteren met een straal. Dat is eenvoudigweg dat ze na het bouwen moeten worden uitgehard om ervoor te zorgen dat de deeltjes van het model zich op een zodanige manier hechten dat ze op zijn minst redelijk dicht in de buurt komen van het daadwerkelijke metaal dat wordt gebruikt. Dit betekent ook meer tijd na het bouwen. Om te compenseren voor minder dan perfecte hechting en/of dimensionaliteit, zijn sommige fabrikanten geen productie-eenheden die additieve en subtractieve technologieën combineren om een ​​afgewerkt onderdeel te produceren. Stel dat u een onderdeel met hoge tolerantie wilt maken, zoals een met glazuur bedekte metalen tand of een gedeeltelijke plaat. Het metalen voorwerp wordt eerst gevormd. Dan, zonder fysiek verplaatst te hoeven worden, met alle verlies aan nauwkeurigheid dat dat met zich meebrengt, schuift het item gewoon naar de subtractieve (frees)eenheid, waar de laatste paar duizendsten worden verwijderd en eventuele polijst- of andere mechanische afwerkingen worden gedaan. Toegegeven, dit is een tussentijdse en onhandige versmelting van twee technologieën. Uiteindelijk zullen additieve productiecellen elke laag atoom voor atoom neerleggen, waardoor elke vorm van afwerking overbodig wordt.

3) Selectief laser sinteren (SLS)

Dit proces werd ook halverwege de jaren tachtig ontwikkeld. Het is in staat om metalen en kunststoffen te sinteren. Selective Laser Melting (SLM) daarentegen is niet afhankelijk van sinteren. In plaats daarvan smelt het materiaal bij een temperatuur die hoog genoeg is om door het proces een volledig gevormd, dicht en sterk object te vormen. Dan is er EBM, ofwel Electron Beam Melting. Dit proces wordt uitgevoerd in een hoog vacuüm en wordt voornamelijk gebruikt om volledig dichte, sterke titanium onderdelen te vormen. Het gebruikt een elektronenstraal om een ​​dunne draad te smelten en zo laag na laag metaal neer te leggen. Het is ook een van de meest nauwkeurige processen. Als u er echter een koopt die groot en krachtig genoeg is om zelfs kleine vormholten en kernen te produceren, kan de koper $ 500.000 of meer terugbetalen. Wat tegenwoordig veel alomtegenwoordiger is, zijn de kleine desktop 3D-extrusieprinters.

De 3D-scanner moet ook worden vermeld als een onmisbare aanvulling op het 3D-modelleren en printen. Net als een camera en digitizer in één, kan het een object nauwkeurig genoeg scannen om het onmiddellijk in een model te vertalen. Vroeger was de enige manier om de metingen van een object nauwkeurig te scannen het gebruik van een coördinatenmeetmachine of CMM. Nog maar tien jaar geleden kostten deze machines meer dan $ 100.000. Hoewel ze nog steeds hun plaats hebben in gereedschapswinkels en andere plaatsen waar de vereiste nauwkeurigheid binnen tienden (.0001” of ongeveer ¼ micron) ligt, kunnen veel modellen worden gescand met deze nieuwe, relatief goedkope 3D-scanners. Ongetwijfeld werkt er ook iemand aan een scanner die de potentiële koper zal vertellen of de trui die hij online koopt, past! In ieder geval is het gebied van additieve fabricage en 3D-scanning er een die momenteel onbegrensd veelbelovend is.

Heb je ervaring met een van deze 3D-printmachines? Deel je ervaringen hieronder!

Wilt u meer weten over de productie van plastic? Bekijk onze gratis woordenlijst!