Additive Manufacturing & 3D-printen Uitgelegd: Belangrijke Inzichten & Toepassingen

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

En dat is nauwelijks verrassend. Immers, beide termen gaan over zeer vergelijkbare processen.

Zowel additive manufacturing als 3D-printen beschrijven een proces van het creëren van objecten door geleidelijk dunne lagen materiaal op te bouwen.

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

Waarvoor Wordt Additive Manufacturing Gebruikt in 3D-printen?

In traditionele productie worden onderdelen vaak gemachineerd uit grotere blokken materiaal. Met andere woorden, materiaal wordt afgetrokken van het startblok om het onderdeel te vormen. Natuurlijk veroorzaakt dit veel afval. Als je ooit een video hebt gezien van een draaier die een massief blok metaal of hout omzet in een afgerond onderdeel, was je waarschijnlijk onder de indruk van de schiere hoeveelheid verspild materiaal.

In tegenstelling, bij additive manufacturing worden onderdelen gemaakt door lagen materiaal op te bouwen om het afgeronde onderdeel te vormen. Hoe het werkt? Dat hangt af van het type additive manufacturing dat gebruikt wordt.

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

1. VAT Fotopolymerisatie — objecten worden geconstrueerd uit lagen vloeibare fotopolymerhars, die gehard wordt met ultraviolett licht.
2. Poederbedfusie — objecten worden geconstrueerd uit lagen materiaalpoeder en gesmolten (of 'gefuseerd') met behulp van hitte of een krachtige laser. Veelvoorkomende technieken zijn selectieve lasersintering (SLS).
3. Materiaal Jetting — elke laag van een object wordt geconstrueerd met een printkop, die druppels van een vloeibaar materiaal op een build-oppervlak deposeert waar ze snel solidificeren. Eenmaal voltooid, wordt elke laag gehard met ultraviolett licht.
4. Vel Laminatie — objecten worden geconstrueerd uit vellen of linten metaal, die samengebind worden met ultrasoonlassen. Vel laminatie is geen volledig additieve techniek, aangezien overtollig materiaal meestal verwijderd moet worden met traditionele productietechnieken zoals CNC-bewerking.
5. Materiaalextrusie — materiaal wordt door een monding getrokken, waar het verhit wordt en in lagen op een build-platform gedeponeerd. In dit geval is geen additioneel proces nodig om de lagen te harden, aangezien elke laag in een gesmolten toestand gedeponeerd wordt.
6. Gerichte Energie Depositie — DED omvat een reeks complexe additive manufacturing-technieken gebruikt om bestaande componenten te repareren of materiaal toe te voegen. In de meeste implementaties wordt een gesmolten materiaal door een monding op het doeloppervlak gedeponeerd, waar het solidificeert. Het proces is in principe vergelijkbaar met materiaalextusie, met de uitzondering dat de monding in meerdere richtingen moet kunnen bewegen om rekening te houden met verschillende gevormde doeloppervlakken.
7. Binder Jetting — ook bekend als 3D-printen.

Omdat dit artikel zich specifiek richt op 3D-printen voor additive manufacturing, zullen we er nader op ingaan.

Wat is het Additive Manufacturing (3D-printen) Proces?

3D-printen gebruikt twee materialen:

1. Een poeder-gebaseerd materiaal, meestal plastic, metaal, of keramiek, en;
2. Een binder, die fungeert als lijm tussen lagen poeder. De meeste binders komen in vloeibare vorm.

De term 3D-printen komt van de visuele gelijkenis van binder jetting met 2D-printen. Binnen een standaard inktjetprinter reist een printkop horizontaal langs de X- en Y-assen om druppels inkt op een stuk papier te deponeren.

Vergelijkbaar, om een object te bouwen met 3D-printen, beweegt de printkop horizontaal langs de X- en Y-assen van de machine en deposeert afwisselende lagen van het bouwmateriaal en het bindmateriaal. Na het voltooien van elke laag wordt het build-platform dat het object vasthoudt, fractioneel verlaagd om de volgende laag te laten printen.

Afhankelijk van de grootte van het te printen object, kan het honderden, duizenden, of zelfs tienduizenden van deze lagen vereisen om te voltooien. Om je een idee te geven van hoe het proces eruitziet, bekijk deze timelapse video van een 3D-geprint Eiffeltoren-model.

Belang van Additive Manufacturing en 3D-printsoftware

Alle additive manufacturing-technieken, inclusief 3D-printen, zijn afhankelijk van digitale ontwerptechnieken zoals Computer-Aided Design (CAD). Feitelijk is het hele doel van 3D-printen om digitale ontwerpen om te zetten in real-world objecten.

In het verleden gebruikten ingenieurs CAD-software gecombineerd met rigorose simulatiemodelleringstechnieken om objecten te ontwerpen die robuust en effectief in de real-world zouden zijn. Maar er was een probleem. Traditionele productietechnieken zoals CNC-bewerking en injectiegieten komen met bepaalde beperkingen, die het produceren van die anderszins 'perfecte' objecten onmogelijk maken.

Hier komt de harmonieuze relatie tussen CAD en 3D-printen om de hoek kijken. Een van de belangrijkste voordelen van 3D-printen is dat het digitale ontwerpen in staat stelt om in de real-world geproduceerd te worden zonder de beperkingen van traditionele productietechnieken.

CAD en 3D-printen laten productie gedreven worden door ontwerp, terwijl historisch het ontwerpproces gedreven moest worden door wat mogelijk was met conventionele productietechnieken. Dit geeft ingenieurs veel meer ontwerpvrijheid dan ooit tevoren en heeft enorme doorbraken in een aantal industrieën gefaciliteerd.

Terwijl de meeste commerciële CAD-software een module voor Additive Manufacturing hebben geïntroduceerd, is het bouwen van je eigen custom CAD-applicatie voor Additive Manufacturing vrij eenvoudig met 3D SDK's van Spatial. Bekijk www.spatial.com voor meer informatie.

Leer Over Het Verschil Tussen Additive Manufacturing en 3D-printen

1. De 7 Hoofdtypen van Additive Manufacturing
2. 6 3D-print Medische Doorbraken
3. Hoe CAD Volledig te Benefiteren in het Additive Manufacturing-proces

Voordelen van 3D-printen Additive Manufacturing 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 top voordelen zijn:

• Produceren van complexe maar lichtgewicht structuren met additive manufacturing en 3D-printmaterialen.

We hebben al genoteerd dat 3D-printen het mogelijk maakt om objecten te bouwen die niet gebouwd kunnen worden met traditionele technieken. Het is ook de moeite waard om te noteren dat, omdat ze laag-voor-laag gebouwd worden, hoogst complexe onderdelen in één stuk gebouwd kunnen worden. Tegelijkertijd, door de beschikbare materialen, kunnen zelfs complexe 3D-geprinte onderdelen zowel licht in gewicht als hoog in trekkracht zijn.

• Het is goedkoper voor eenmalige builds.

Een van de grote voordelen van 3D-printen is dat het geen malen of speciale assemblage rigs vereist. Als resultaat kunnen kleine batches eenmalige objecten gemakkelijk en tegen veel lagere kosten geproduceerd worden.

•  Minder afval.

Zo al genoteerd, is 3D-printen een additieve productietechniek, terwijl veel traditionele technieken materiaal extractie omvatten. Dit feit alleen betekent dat 3D-printen resulteert in veel minder afval dan andere veelvoorkomende productietechnieken.

• Snellere time-to-market.

Ganz simpel, geen andere techniek stelt fabricanten in staat om objecten zo snel te ontwerpen en bouwen als 3D-printen. Dit is met name waardevol wanneer het gaat om het bouwen en testen van prototypen. Het is om deze reden dat 3D-printen synoniem is geworden met een van zijn meest voorkomende toepassingen: rapid prototyping.

3D-printen voor Additive Manufacturing Gebruikt voor Het Bouwen van Rapide Prototypen

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

Elke productietechniek kan gebruikt worden in rapid prototyping, van traditionele productietechnieken zoals CNC-bewerking tot modernere technieken zoals 3D-lassen. Vanwege duidelijke redenen worden additieve technieken zoals 3D-printen het meest gebruikt.

Zoals de naam impliceert, wordt rapid prototyping voornamelijk gebruikt om een reeks prototypen te bouwen, die snel getest en verworpen kunnen worden tot het beste ontwerp gevonden is. Deze iteratieve benadering van ontwerp en productie is altijd populair geweest en is alleen effectiever geworden met de evolutie van additive manufacturing-processen.

Rapid prototyping heeft drie duidelijke voordelen voor fabricanten wanneer gecombineerd met 3D-printen:

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

• Snelheid. Rapid prototyping helpt fabricanten om ontwerpen sneller dan ooit te produceren en te verwerpen, leren van elke iteratie en steeds dichterbij het eindproduct komen. Dit vertaalt zich in een snellere time-to-market (TTM), wat vaak een significant competitief voordeel is.

• Verminderd risico. Fouten in productie kunnen extreem kostbaar zijn. Vanwege de lage kosten en tijdsinvestering die nodig zijn om additionele prototypen te produceren, verlaagt rapid prototyping het risico op kostbare fouten tijdens de massaproductiefase drastisch.

Waarvoor Wordt 3D-printen Gebruikt?

Op dit moment, naast productie, heeft de meeste hype en media-aandacht voor 3D-printen zich gericht op consumententoepassingen. Het is onmiskenbaar 'cool' dat iedereen met een laptop en onder duizend dollar bijna elk object dat ze zich kunnen voorstellen kan ontwerpen en bouwen.

Echter, de ware waarde van 3D-printen ligt in de commerciële toepassingen. Enkele van de top industrieën die profiteren van 3D-printen zijn:

Luchtvaart en ruimtevaart — 3D-printen heeft duidelijke voordelen voor de luchtvaartindustrie. Meest opvallend stelt het luchtvaartbedrijven in staat om prototypen snel en tegen lage kosten te bouwen terwijl ze sterke, lichtgewicht materialen gebruiken. Op dit moment wordt 3D-printen gebruikt om alles te produceren van interne trim-items zoals zitrugtabeltjes en hoofdsteunen tot motorcomponenten en wapenystemen.

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

Gezondheidszorg — In het verleden was de beschikbaarheid van implantaten en prothesen een aanzienlijke en kostbare obstakel voor patiëntenzorg. Echter, al enkele jaren wordt 3D-printen gebruikt in de ontwikkeling van een brede verscheidenheid aan chirurgische snijgidsen, prothesen, en zelfs patiëntspecifieke implantaten.

Naarmate materialen evolueerden, is de industrie in staat geweest om 3D-printen te gebruiken om steeds lichtere, sterkere en veiligere producten te bouwen terwijl de doorlooptijden en kosten worden verminderd.

Automotive — Al enkele decennia gebruikt de auto-industrie 3D-printen en andere additive manufacturing-technieken om prototypen te produceren. Initieel was dit de enige haalbare toepassing voor 3D-printen in de auto-industrie, omdat de beschikbare materialen niet voldoende robuust waren voor real-world gebruik.

Echter, naarmate materialen evolueerden, heeft 3D-printen een grotere rol in de industrie genomen. Nu wordt de techniek routinematig gebruikt om een verscheidenheid aan malen, thermovormtools, grepen, hulpen en fixaties te produceren die nodig zijn tijdens productie. Met andere woorden, 3D-printen wordt gebruikt om andere productietechnieken te versterken.

Maar dat is niet alles. 3D-printen is ook onmisbaar voor het produceren van maatwerkonderdelen zoals carrosserieschillen en interne componenten die gebruikt worden om specifieke voertuigen af te stemmen.

Architectuur — De architectuurindustrie vertrouwt op schaalmodellen om klanten en investeerders te laten zien hoe een project eruit zal zien zodra het gebouwd is. Deze modellen zijn historisch met de hand gebouwd, en vereisten vaak honderden man-uren om te voltooien. Natuurlijk heeft 3D-printen alles veranderd.

Omdat architecturale projecten al ontworpen zijn met computersoftware, zijn ze natuurlijke kandidaten voor 3D-printen. Nu, eenmaal een CAD-bestand voltooid is, kan het direct naar print gestuurd worden, wat een enorme hoeveelheid tijd bespaart en een nauwkeurige modelreplica garandeert.

Wat is Er Volgende voor 3D-printen en Additive Manufacturing?

Tot nu toe is wijdverspreide commerciële adoptie beperkt tot industrieën die al bekend zijn om aan de voorhoede van technologie te staan — productie, luchtvaart, automotive en gezondheidszorg, in het bijzonder.

Echter, met hardware en materialen die de hele tijd verbeteren, is er geen twijfel dat 3D-printen in de komende jaren blijft groeien.

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