Hoe SLA en SLS de Rapid Prototyping-industrie veranderen

Geplaatst op:13 juli 2018, | Door Will, WayKen-projectmanager

Met de ontwikkeling van technologie is 3D-printen van een louter concept tot realiteit geëvolueerd. De verzadiging van industrieën maakte het hoofddoel van de fabrikant om niet alleen producten te vervaardigen, maar ook om innovatieve methoden te gebruiken om meer producten te produceren in een kortere tijdspanne om de productie te verhogen. Dus de fabrikanten gebruiken tegenwoordig verschillende rapid prototyping-technieken. Deze innovatieve methoden besparen niet alleen tijd, maar zijn ook kosteneffectief. Een dergelijke snelle prototypingtechniek die tegenwoordig wordt gebruikt, is het gebruik van 3D-printen (SLA-prototyping &SLS-prototyping ). Met 3D-printen wordt niet alleen tijd en kosten bespaard, maar ook het beste functionele prototype van een 3D CAD-model van het product.

Geschiedenis van 3D-printen

Het concept van 3D-printen is al in 1981, toen het Nagoya Municipal Industrial Research Institute fotohardende thermohardende polymeren gebruikte om de driedimensionale modellen te fabriceren waarbij een maskerpatroon werd gebruikt om het UV-blootstellingsgebied te regelen. Maar in die tijd was het gebruik ervan minder vanwege de beperking van materialen en 3D-modelleringssoftware. Al in 2000 had China commerciële rapid prototyping-apparatuur geïmporteerd, een van de belangrijkste toepassingen was industrieel 3D-printen. Het werd een populair woord in de industriële wereld in 2013 toen twee NASA-medewerkers Samantha Snabes en Matthew Fiedler het eerste prototype van een betaalbare 3D-printer, Gigabot, introduceerden.

3D-printen:een toonaangevende trend in Rapid Prototyping

Van het verlagen van de kosten tot het verhogen van de efficiëntie met de innovatie, veel mensen zijn enthousiast over de impact die 3D-printen zal hebben op de toekomst van de productie. De waarheid is echter dat het al een aanzienlijke impact heeft gehad op de industrie en op binnenlandse klanten.

Een huishoudelijke 3D-printer wordt gebruikt als een R&D-product en om de 3D-modellen in de industrieën te ontwerpen. Maar het is verkeerd om te zeggen dat het alleen een product is voor industriële klanten. Het wordt nu steeds populairder bij civiele klanten vanwege de grote toepassingen. Dit komt vooral omdat het materiaal dat wordt gebruikt bij 3D-printen in de loop van de tijd goedkoper en gemakkelijk verkrijgbaar wordt. Bovendien neemt de 3D-printer veel minder ruimte in beslag in vergelijking met conventionele subtractieve gereedschapskamermethoden zoals CNC-frezen, draaibanken en precisieslijpen.

De beschikbaarheid van de modelleringssoftware van tegenwoordig draagt ​​ook bij aan de ontwikkeling van deze technologie. Over het algemeen wordt het model opgeslagen in STL-indeling, een CAD-bestandsindeling voor snelle prototyping waarin gegevens worden opgeslagen op basis van triangulaties van CAD-modellen. Maar dit formaat werd gebruikt om het bestand op te slaan in een groot aantal roosterstructuren, wat fouten veroorzaakt. Maar de nieuwere software slaat het bestand op in Additive Manufacturing File Format (AMF) dat minder fouten oplevert. Bovendien hebben deze software een gebruiksvriendelijke interface die het voor zowel huishoudelijke als industriële gebruikers gemakkelijk maakt om een ​​3D-model van het product te modelleren.

Uit een recent onderzoek is gebleken dat tegen 2020 wereldwijd 6,7 miljoen 3D-printers zullen worden verzonden, wat 14 keer meer is dan in 2016. Naarmate nieuwe technologieën het gebruik van 3D-printers verbeteren, zal de technologie de maakindustrie naar grotere hoogten van glorie blijven brengen. P>

Figuur 1:Wereldwijde verzendingen van 3D-printers van 2015-2020

3D-afdruktechnologie

Als het gaat om 3D-printtechnologie, zijn er twee meest gebruikte technologieën:SLA Rapid Prototyping &SLS rapid prototyping.

1. SLA Rapid Prototyping

SLA rapid prototyping, ook bekend als stereolithografie, is een type 3D-printtechnologie die wordt gebruikt om verschillende prototypes, modellen en patronen laag voor laag te maken met behulp van de techniek van fotopolymerisatie. Fotopolymerisatie is een proces van moleculen die onder invloed van licht polymeren vormen. Dus eigenlijk wordt de hars (het materiaal dat is gebruikt bij het maken van het prototype) gestold met behulp van licht en ultraviolette stralen. Op deze manier wordt het gewenste prototype laag voor laag gemaakt met behulp van SLA rapid prototyping.

Figuur 2:Een afbeelding die de processen van SLA rapid prototyping toont

De UV-straling wordt gebruikt om een ​​voorgeprogrammeerde vorm op het fotopolymeervat te bouwen. Omdat de fotopolymeren gevoelig zijn voor UV-straling, stolt de hars en vormt een enkele laag van het gewenste prototype. Op deze manier worden harslagen gestold totdat het gewenste prototype is gevormd.

SLA-prototypeproducten hebben de hoogste resolutie en oppervlakteafwerking van alle 3D rapid prototyping-technieken, maar de veelzijdigheid ervan ligt in de gebruikte hars. Met de ontwikkeling van technologie hebben materiaalingenieurs verschillende harsen gemaakt die worden gebruikt bij SLA-prototyping met eigenschappen die overeenkomen met die van standaard technische thermoplastische materialen.

Gebruik

SLA rapid prototyping wordt sinds het begin veel gebruikt in verschillende industrieën voor de ontwikkeling van producten.

· Medische modellering

SLA-producten met snelle prototypes worden in de geneeskunde gebruikt sinds de technologie werd geïntroduceerd. Het wordt gebruikt om anatomische 3D-modellen te maken van verschillende delen van het lichaam van een patiënt op basis van gegevens die zijn verkregen uit computerscans. Deze modellen worden vervolgens gebruikt ter ondersteuning van diagnose en behandeling. Chirurgen gebruiken deze modellen omdat ze hen helpen bij operaties, terwijl de prothetisten ze gebruiken om op maat gemaakte implantaten te maken.

Figuur 3:Een model geproduceerd door SLA rapid prototyping

· Prototyping

SLA rapid prototyping wordt ook gebruikt om de prototypes van even/onregelmatig gevormde materialen te maken tegen relatief lagere kosten. Prototypes die zijn gemaakt met de SLA rapid prototyping-methode kunnen worden bewerkt en patronen van verschillende metaalgietbewerkingen kunnen worden gevormd.

2. SLS Rapid Prototyping

Selectieve lasersintering, gewoonlijk SLS rapid prototyping-techniek genoemd, gebruikt de laser als een stollingsmiddel voor het poedervormige materiaal. Meestal is het gebruikte poedermateriaal nylon. Nylon is een technische thermoplast met indrukwekkende mechanische eigenschappen en is lichtgewicht en stabiel. Dit type 3D-printer richt de laser automatisch op het poedervormige materiaal, waardoor het stolt om de gewenste structuur te creëren. SLS rapid prototyping is anders dan Selective Laser Melting zoals in SLM. Het materiaal wordt gesmolten in plaats van gesinterd zoals bij SLS rapid prototyping.

Figuur 4:Een afbeelding die de processen van SLS rapid prototyping toont

SLS rapid prototyping gebruikt, net als SLA rapid prototyping, de computerondersteunde ontwerpen om met behulp van gesinterd poeder het benodigde prototype te ontwikkelen. Het maakt gebruik van een krachtige laser, meestal koolstofdioxidelaser, een bron van fusie van kleine deeltjes in de vorm van poeder om het vereiste prototype te vormen. De laser scant de dwarsdoorsneden die worden gegenereerd door het CAD-model en versmelt selectief de gesinterde materialen in de vorm van een vereist prototype. Nadat de doorsnede is gescand, wordt het poederbed neergelaten en wordt er een nieuwe laag materiaal op aangebracht totdat het gewenste product is gevormd.

Het nylonmateriaal dat wordt gebruikt in SLS rapid prototyping maakt het nuttig voor het maken van prototypes met een hoge mechanische sterkte en schok-, licht- en waterbestendige prototypes. Lagere productiekosten en hoge productiviteit maken deze techniek behoorlijk populair onder de industrieën voor snelle prototyping.

Gebruik

SLS rapid prototyping wordt sinds het begin veel gebruikt in verschillende industrieën voor de ontwikkeling van producten

· Lucht- en ruimtevaartindustrie

SLS rapid prototyping is behoorlijk populair in industrieën waar hoogwaardige onderdelen in kleinere hoeveelheden nodig zijn. Een voorbeeld van zo'n industrie is de lucht- en ruimtevaartindustrie waar prototypes voor vliegtuigen nodig zijn. Aangezien vliegtuigen en andere ruimtevaartvoertuigen in kleinere aantallen worden gebouwd en tientallen jaren in dienst blijven, wordt SLS rapid prototyping gebruikt om hoogwaardige onderdelen voor de vliegtuigindustrie te produceren.

Figuur 5:Een compartimentpaneel geproduceerd door Airbus met behulp van SLS rapid prototyping

· Prototyping van complexe geometrieën

SLS rapid prototyping wordt veel gebruikt in de industrie om geometrieën met complexe vormen te produceren met behulp van hun CAD-model. Het is omdat SLS rapid prototyping prototypes kan produceren met een verscheidenheid aan materialen waardoor ze samensmelten onder invloed van de laser. Het feit dat er geen ondersteunende structuren nodig zijn, maakt het ook zeer populair bij de industrieën die onderdelen van hogere kwaliteit produceren.

Figuur 6:Een propeller ontworpen door SLS rapid prototyping

Vergelijking tussen SLA en SLS

1. Gebruikte grondstof

SLS - De gebruikte grondstof varieert van nylon poeder; Polycarbonaat koolstofpoeder tot vinylchloride; Poeder maar met hoge prestaties.

SLA -De gebruikte grondstof is een vloeibaar polymeer waarvan de kwaliteit niet vergelijkbaar is met die van thermoplastische materialen.

2. Materiaalkrimp

SLS - Materiaalkrimp varieert van 2-4%.

SLA - Materiaalkrimp is lager dan 0,4%, dus meer gedetailleerde onderdelen kunnen worden geproduceerd.

3. Bouwgrootte

SLS -Prototypes met afmetingen tot 1500 x 750 x 500 mm kunnen worden geproduceerd.

SLA -Prototypes met afmetingen tot 145 x 145 x 175 mm kunnen worden geproduceerd.

4. Oppervlakteafwerking

SLS -De afwerking van het materiaal is ruw en wat los.

SLA -De afwerking van het materiaal is relatief glad.

5. Kracht

SLS -De sterkte van de geproduceerde onderdelen is hoog vanwege de gebruikte grondstof.

SLA -De sterkte van het geproduceerde materiaal is relatief laag.

6. Bewerkingshandeling

SLS -De geproduceerde prototypes zijn eenvoudig te bewerken zoals frezen, draaibank, boren etc.

SLA -De sterkte van het prototype is laag, dus machinale bewerking is moeilijk en er moet grote zorg worden besteed.

7. Weerstand tegen slijtage

SLS -Weerstand tegen slijtage is vergelijkbaar met die van thermoplastische materialen.

SLA -Slechte weerstand tegen omgevingsfactoren. Gebruik van epoxyharsen kan de weerstand aanzienlijk verbeteren.

Figuur 7:Een model geproduceerd door SLS rapid prototyping

Voordelen:3D-printen met SLA en SLS

Om de producten in een kortere tijd massaal te kunnen produceren, is 3D-printen een onmisbare tool. Er zijn veel voordelen die kunnen worden genoten door deze techniek toe te passen.

1. Kosteneffectiviteit

Kosteneffectiviteit is een van de belangrijkste voordelen van 3D-printen. De sterkte en afwerking in het prototype dat uit dit proces wordt geproduceerd, willen geen wijzigingen die geld besparen. Bovendien kunnen de producten in massa geproduceerd worden wat ook nog eens veel geld bespaart.

2. Snelheid

Deze techniek stelt de industriëlen in staat om een ​​groter aantal producten met een hogere snelheid te produceren, wat veel minder tijd kost in vergelijking met conventionele industriële processen die worden gebruikt. De gebruiker heeft alleen een CAD-model nodig en de printer gebruikt dat model en ontwikkelt het product in veel minder tijd. Bovendien is het ontworpen prototype van hoge kwaliteit en sterkte, waardoor deze techniek populair is in zowel industrieën als burgers over de hele wereld.

3. Vermindering van opslagruimte

3D-printers nemen veel minder ruimte in beslag in vergelijking met conventionele massaproductiemachines die tot nu toe door de industrie worden gebruikt. Bovendien zijn de gereedschappen van die machines zwaar en duur in vergelijking met een compacte 3D-printer die veel minder ruimte in beslag neemt.

4. Risicobeperking

3D-printen maakt ook de verificatie van een ontwerp mogelijk vóór de productie van een duur prototype in het CAD-model. Dus het CAD-model is dienovereenkomstig gecorrigeerd. Bovendien is de productie van proefmatrijzen veel goedkoper dan het aanpassen van een reeds geproduceerde mal.

5. Feedback

Met een prototype kan men het marktpotentieel van het product testen alvorens het daadwerkelijk te produceren. De reactie van de kopers voordat het product daadwerkelijk wordt geproduceerd, kan het toekomstperspectief van het product voorspellen en kan helpen bij het bepalen van het aantal producten dat in massa moet worden geproduceerd om op de markt te worden geleverd.

6. Personalisatie

Met de standaard bewerkingen die worden gebruikt voor de massaproductie, komen alle onderdelen van de machine of de matrijs met hetzelfde ontwerp of eventuele defecten. Maar in het geval van 3D-printen is er altijd sprake van maatwerk, personalisatie van het product zoals vereist door de klant of de marktvraag.

Slotopmerkingen

Zowel SLA-prototyping als SLS-prototyping worden beschouwd als een van de grote revoluties in de technologische wereld. De productie van een functioneel prototype is nu niet langer een moeilijke taak omdat het gemakkelijk kan worden geproduceerd door het gebruik van deze twee technieken volgens de vereisten van de kenmerken van het prototype. SLA is beter voor oppervlakteafwerking, maar SLS is beter voor de productie van producten met een hoge sterkte. Beide zijn hoogwaardige rapid prototyping-technieken en kunnen worden gebruikt voor de massaproductie van producten met minder fouten erin.