Hoe SLA en SLS Rapid Prototyping Revolutioneren

Gepost op: 13 juli 2018, | Door Will, WayKen Project Manager

Met de ontwikkeling van technologie heeft 3D-printen zich ontwikkeld van een puur concept naar realiteit. De verzadiging van industrieën maakte het hoofddoel van de fabrikant niet alleen om producten te produceren, maar ook om innovatieve methoden te gebruiken om meer producten in kortere tijd te produceren om de productie te verhogen. Dus fabricanten deze dagen gebruiken diverse rapid prototyping technieken. Deze innovatieve methoden besparen niet alleen tijd, maar zijn ook kosteneffectief. Een dergelijke rapid prototyping techniek die tegenwoordig ingezet wordt, is het gebruik van 3D-printen (SLA prototyping & SLS prototyping). 3D-printen, naast het besparen van tijd en kosten, produceert ook de beste functionele prototype van een 3D CAD-model van het product.

Geschiedenis van 3D-Printen

Het concept van 3D-printen is zo oud als 1981 toen Nagoya Municipal Industrial Research Institute foto-verhardende thermoharsende polymeren gebruikte om driedimensionale modellen te fabriceren waar een maskerpatroon gebruikt werd om het UV-belichtingsgebied te controleren. Maar op dat moment was het gebruik minder door de restrictie van materialen en 3D-modelleringssoftware. Zo vroeg als 2000 had China commerciële rapid prototyping apparatuur geïmporteerd, onder de hoofttoepassing was industriële 3D-print. Het werd een populair woord in de industriële wereld in 2013 toen twee NASA-werknemers Samantha Snabes en Matthew Fiedler de eerste prototype van een betaalbare 3D-printer introduceerden, Gigabot.

3D-Printen: Een Leidende Trend in Rapid Prototyping

Van kosten verlagen tot efficiëntie verhogen met innovatie, zijn veel mensen enthousiast over de impact die 3D-printen zal hebben op de toekomst van manufacturing. Echter, de waarheid is, het heeft al een significante impact gemaakt op de industrie alsook domestische klanten.

Een domestische 3D-printer wordt gebruikt als R&D product en om 3D-modellen in de industrieën te ontwerpen. Maar het is fout om te zeggen dat het alleen een product is voor industriële klanten. Het wordt nu wijdverspreid populair onder consumentenklanten door de grote toepassingen. Voornamelijk is het omdat het materiaal gebruikt in 3D-printen goedkoper en makkelijk beschikbaar wordt met de tijd. Verder inneemt een 3D-printer veel minder ruimte in vergelijking met conventionele subtractieve werkkamermethoden zoals CNC-frezen, draaien en precisieslijpen.

De beschikbaarheid van de modelleringssoftware tegenwoordig helpt ook de ontwikkeling van deze technologie. Over het algemeen wordt het model opgeslagen in STL-formaat wat een CAD-bestandsformaat is voor rapid prototyping dat data opslaat gebaseerd op triangulatie van CAD-modellen. Maar dit formaat sloeg het bestand op in een groot aantal roosterstructuren wat fouten produceerde. Maar de nieuwere software slaat het bestand op in Additive Manufacturing File Format (AMF) dat een minder aantal fouten produceert. Bovendien hebben deze software een gebruiksvriendelijke interface wat het makkelijk maakt voor domestische en industriële gebruikers om een 3D-model van het product te modelleren.

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

3D-Printtechnologie

Als het aankomt op 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 gebruikt wordt om verschillende prototypes, modellen, patronen in laag-voor-laag manier te creëren met de techniek van Fotopolymerisatie. Fotopolymerisatie is een proces van moleculen die koppelen om polymeren te vormen onder de werking van licht. Dus eigenlijk wordt de hars (materiaal gebruikt in het creëren van de prototype) verhard met behulp van licht en ultraviolette stralen. Op deze manier wordt de gewenste prototype laag voor laag gecreëerd met SLA rapid prototyping.

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

De UV-straling wordt gebruikt om een voorgeprogrammeerde vorm op de fotopolymerbak te bouwen. Omdat de fotopolymeren gevoelig zijn voor UV-straling, wordt de hars verhard en vormt een enkele laag van de gewenste prototype. Op deze manier worden lagen van hars verhard tot de gewenste prototype gevormd is.

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

Toepassingen

SLA rapid prototyping wordt wijd gebruikt in verschillende industrieën voor de ontwikkeling van producten sedert de introductie.

· Medische Modellering

SLA rapid prototypede producten worden in de geneeskunde gebruikt sedert de technologie geïntroduceerd werd. Het wordt gebruikt om anatomische 3D-modellen van verschillende gebieden van een patiënts lichaam te creëren op basis van data verkregen van computerscans. Deze modellen worden dan gebruikt ter ondersteuning van diagnose en behandeling. Chirurgen gebruiken deze modellen omdat ze hen helpen bij operaties terwijl prothetikers ze gebruiken om custom passende implantaten te fabriceren.

Figuur 3: Een model geproduceerd door SLA rapid prototyping

· Prototyping

SLA rapid prototyping wordt ook gebruikt om prototypes van even/oneven gevormde materialen te creëren tegen relatief lagere kosten. Prototypes gemaakt door SLA rapid prototyping methode zijn in staat om bewerkt te worden en patronen van diverse metaalgietoperaties kunnen gevormd worden.

2. SLS Rapid Prototyping

Selective Laser Sintering, algemeen SLS rapid prototyping genoemd, techniek gebruikt de laser als verharder voor het geperste materiaal. Meestal is het geperste materiaal nylon. Nylon is een engineering thermoplastisch met indrukwekkende mechanische eigenschappen en is lichtgewicht en stabiel. Dit type 3D-printer richt de laser automatisch op het geperste materiaal waardoor het verhardt om de vereiste structuur te creëren. SLS rapid prototyping verschilt van Selective Laser Melting als in SLM. Het materiaal wordt gesmolten in plaats van gesinterd als in SLS rapid prototyping.

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

SLS rapid prototyping, zoals SLA rapid prototyping, gebruikt computer-aided designs om de vereiste prototype te ontwikkelen met behulp van gesinterd poeder. Het gebruikt hoge-vermogen laser meestal koolstofdioxide laser wat een bron is van fusie van kleine deeltjes in poedervorm om de vereiste prototype te vormen. De laser scant de doorsneden die gegenereerd worden door het CAD-model en sintert selectief de materialen in de vorm van een vereiste prototype. Nadat de doorsnede gescand is, wordt het poederbed verlaagd en een nieuwe laag materiaal op de top aangebracht tot het gewenste product gevormd is.

Het nylonmateriaal dat gebruikt wordt in SLS rapid prototyping maakt het nuttig voor het creëren van prototypes van hoge mechanische sterkte alsook impact-, licht- en waterbestendige prototypes. Lagere productiekosten en hoge productiviteit maken deze techniek redelijk populair onder de industrieën voor rapid prototyping.

Toepassingen

SLS rapid prototyping wordt wijd gebruikt in verschillende industrieën voor de ontwikkeling van producten sedert de introductie

· Luchtvaartindustrie

SLS rapid prototyping is redelijk populair onder industrieën waar high-quality onderdelen vereist zijn in mindere hoeveelheden. Eén dergelijke industrie is de luchtvaartindustrie waar prototypes voor vliegtuigen vereist zijn. Aangezien vliegtuigen en andere luchtvaartuigen in mindere aantallen gebouwd worden en decennialang in dienst blijven, wordt SLS rapid prototyping gebruikt om high-quality onderdelen voor de luchtvaartindustrie te produceren.

Figuur 5: Een compartimentpaneel geproduceerd door Airbus door gebruik te maken van SLS rapid prototyping

· Prototyping van Complexe Geometrieën

SLS rapid prototyping wordt wijd gebruikt in de industrieën om geometrieën met complexe vormen te produceren door hun CAD-model te gebruiken. Het is omdat SLS rapid prototyping prototypes kan produceren met een verscheidenheid aan materialen waardoor ze onder de werking van de laser smelten. Geen behoefte aan ondersteuningsstructuren maakt het ook wijd populair onder industrieën die onderdelen van hogere kwaliteit produceren.

Figuur 6: Een propeller ontworpen door SLS rapid prototyping

Vergelijking Tussen SLA en SLS

1. Gebruikt 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 polymer met niet kwaliteit vergelijkbaar 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 geproduceerd worden.

3. Bouwgrootte

SLS - Prototypes van grootte tot 1500 x 750 x 500 mm kunnen geproduceerd worden.

SLA - Prototypes van grootte tot 145 x 145 x 175 mm kunnen geproduceerd worden.

4. Oppervlakteafwerking

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

SLA - De afwerking van het materiaal is relatief glad.

5. Sterkte

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

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

6. Bewerkingsoperatie

SLS - De geproduceerde prototypes zijn makkelijk te bewerken zoals frezen, draaien, boren, etc.

SLA - De sterkte van de prototype is laag dus bewerken is moeilijk en grote zorg moet genomen worden.

7. Weerstand Tegen Slijtage

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

SLA - Slecht weerstand tegen omgevingsomstandigheden. Gepoxyharsen kunnen de weerstand aanzienlijk verbeteren.

Figuur 7: Een model geproduceerd door SLS rapid prototyping

Voordelen: 3D-Printen met SLA en SLS

Om producten in massa te produceren binnen een kortere periode, is 3D-printen een essentieel hulpmiddel. Er zijn veel voordelen die genoten kunnen worden door deze techniek in te zetten.

1. Kosteneffectiviteit

Kosteneffectiviteit is een van de hoofdbordelen van 3D-printen. De sterkte en afwerking in de prototype geproduceerd door dit proces vereisen geen aanpassingen wat geld bespaart. Bovendien kunnen de producten in massa geproduceerd worden wat ook veel geld bespaart.

2. Snelheid

Deze techniek stelt industrielen in staat om een groter aantal producten te produceren met hogere snelheid die veel minder tijd verbruiken vergeleken met conventionele industriële processen. De gebruiker vereist alleen een CAD-model en de printer gebruikt dat model en ontwikkelt het product in veel minder tijd. Bovendien is het ontworpen prototype van hoge kwaliteit en sterkte wat deze techniek populair maakt in industrieën alsook burgers overal ter wereld.

3. Vermindering van Opslagruimte

3D-printer verbruikt veel minder ruimte vergeleken met conventionele massaproductiemachines die door industrieën tot nu toe ingezet worden. Bovendien zijn de tools van die machines zwaar en duur vergeleken met een compacte 3D-printer die veel minder ruimte verbruikt.

4. Risicomitingatie

3D-printen stelt ook de verificatie van een ontwerp in staat voordat de productie van een duur prototype in het CAD-model. Dus het CAD-model wordt dienovereenkomstig gecorrigeerd. Bovendien is de productie van testvormen veel goedkoper dan het wijzigen van een al geproduceerde vorm.

5. Feedback

Met een prototype kan men de marktpotentie van het product testen voordat het daadwerkelijk geproduceerd wordt. De reactie van kopers voordat het product daadwerkelijk geproduceerd wordt, kan de toekomstperspectieven van het product voorspellen en kan helpen bij het beslissen over het aantal producten dat in massa geproduceerd moet worden om aan de markt te leveren.

6. Personalisatie

Met de standaard bewerkingsoperaties die gebruikt worden voor massaproductie, komen alle onderdelen van de machine of de vorm met hetzelfde ontwerp of defecten als er zijn. Maar in het geval van 3D-printen is er altijd ruimte voor customisatie, personalisatie van het product zoals vereist door de klant of de markteisen.

Concluderende Opmerkingen

Zowel SLA prototyping als SLS prototyping worden beschouwd als een van de grote revoluties in de technologische wereld. Productie van een functionele prototype is nu geen moeilijke taak meer omdat het gemakkelijk geproduceerd kan worden door de inzet van deze twee technieken volgens de vereiste kenmerken van de prototype. SLA is beter voor oppervlakteafwerking maar SLS is beter voor productie van hoge sterkte producten. Beiden zijn top rapid prototyping technieken en kunnen gebruikt worden voor de massaproductie van producten met minder fouten in hen.