Hoe u de beste 3D-printtechnologie kiest: FDM, SLA en SLS vergeleken

Additieve productie is de collectieve term voor alle productietechnologieën gebaseerd op materiaaltoevoeging. Dit betekent dat, in tegenstelling tot aftrekkende productie (waaronder traditionele CNC-bewerkingsmethoden vallen), het gebaseerd is op het bouwen van onderdelen door laag voor laag het exacte benodigde materiaal selectief toe te voegen.

Binnen deze categorie vinden we echter een veelheid aan zeer uiteenlopende technieken, elk met hun voor- en nadelen, zodat het kennen van de grondbeginselen en beperking van groot belang is om de meest geschikte voor elke behoefte te selecteren.

Hoewel er veel technieken en varianten zijn, zijn de drie meest voorkomende en wijdverspreide in de industrie:

• Gesmolten materiaald depositie (FDM)
• Selectieve fotopolymerisatie van harsen (SLA)
• Selectieve lasersintering (SLS)

Hoewel FDM-technologie ongetwijfeld de meest wijdverspreide is, voornamelijk door het verschijnen van goedkope 3D-printers op basis van deze technologie, hebben in de afgelopen jaren zowel SLA- als SLS-technologie terreingewonnen. Bedrijven als Formlabs of Sinterit leveren apparatuur, respectievelijk gebaseerd op SLA en SLS, in staat om industriële kwaliteit te bereiken tegen echte concurrerende prijzen. Samen met het verschijnen van nieuwe materialen is het momenteel moeilijk voor een bedrijf of professional om te kiezen voor de ene of andere technologie.

Hieronder detaileren we de belangrijkste kenmerken van elk, evenals hun verschillen, voor- en nadelen.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Het is verreweg de populairste technologie. Het baseert zich op het extruderen door een mondstuk of "nozzle" van een thermoplastisch materiaal boven de smelttemperatuur. Naarmate het gesmolten materiaal de nozzle verlaat, wordt het selectief en laag voor laag gedeponeerd om het onderdeel te vormen.

Afbeelding 1: FDM-printen. Bron: commons.wikimedia.com

Ondanks het meest gangbaar zijn, is het de meest complexe bij het ontwerpen en voorbereiden van bestanden voor printen. De beperkingen van 3D FDM-printen bepalen vaak het ontwerp zelf, zodat in het algemeen, wanneer onderdelen met deze technologie geproduceerd worden, deze ontworpen of herontworpen moeten worden om compatibel te zijn. Dit kan een groot probleem zijn wanneer het doel van 3D-printen is om modellen te valideren die later met andere productiemethoden geproduceerd zullen worden.

Van alle beperkingen zijn de belangrijkste de noodzaak om ondersteuningen te gebruiken en de onmogelijkheid om mechanische isotropie te verkrijgen.

Omdat het gesmolten materiaal niet in de lucht gedeponeerd kan worden, is het niet mogelijk om direct bruggen of overhangs te printen, zodat in deze gevallen ondersteuningsstructuren toegevoegd moeten worden. Dit impliceert een hoger materiaal- en tijdsverbruik, naast het feit dat de onderdelen na-bewerking nodig hebben om deze ondersteuningen te verwijderen en de oppervlaktekwaliteit in het contactgebied beïnvloed wordt.

Afbeelding 2: Geprinte onderdelen met ondersteuningen. Bron: Simplify3D

Een manier om een aantal nadelen van het gebruik van ondersteuningen te minimaliseren, is om ze te printen met een oplosbaar materiaal. Dit vergemakkelijkt de verwijdering en verbetert de oppervlaktekwaliteit van het contactgebied. Dit vereist dat de printer over een dubbel extrudersysteem beschikt zoals het IDEX-systeem voor de BCN3D Sigma en BCN3D Sigmax printers of de Bondtech dubbele extruder geïntegreerd in de Raise Pro2 3D-printers.

Film 1: IDEX BCN3D-systeem. Bron: BCN3D

Aan de andere kant, zoals we in een eerdere uitlegden, is het met FDM onmogelijk om isotrope onderdelen te verkrijgen, wat een groot probleem is in bepaalde mechanische en structurele toepassingen.

Andere belangrijke beperkingen zijn lage resolutie en hoge toleranties. Hoewel met kleine mondstukdiameters Z-resoluties bereikt kunnen worden die dichtbij die van SLA of SLS liggen, zal de XY-resolutie altijd veel lager zijn en afhankelijk zijn van het gebruikte materiaal. Dit komt omdat de resolutie bepaald wordt door de diameter van het gebruikte mondstuk en niet alle materialen compatibel zijn met kleine mondstukdiameters.

Toch zijn niet alle aspecten nadelen. FDM-technologie heeft verreweg het grootste aanbod aan materialen en tegen lagere kosten, naast grotere printvolumes en, hoewel het prijsverschil tussen de verschillende technieken is verkleind, blijft het de goedkoopste technologie.

Afbeelding 3: Piramide van de belangrijkste materialen voor 3D FDM-printen. Bron: 3dhubs.com

Het is ook een schone en veilige technologie die weinig voorbereiding voor het printen vereist. Dit stelt het in staat om in elke omgeving geplaatst te worden en biedt meer directheid dan SLA- en SLS-printen die uitgebreidere voorberekings- en reinigingstaken vereisen, wat het de perfecte technologie maakt voor educatieve toepassingen op elk niveau, van basisonderwijs tot hoger onderwijs.

Het is een ideale technologie voor het printen van sjablonen en tools, onderdelen met groot middelgroot volume of voor toepassingen die specifieke materialen vereisen die niet beschikbaar zijn voor andere technieken.

Een andere sector waarin 3D FDM-printen grote voordelen biedt, is de productie van architectuurmodellen. Over het algemeen bestaat dit type project uit voluminieuze onderdelen die geen hoge precisie vereisen. Dit, samen met de beschikbaarheid van materialen als Filamet, Timberfill, Smartfil EP of PLA Mukha, die in staat zijn om metaal-, hout- of keramische afwerkingen aan de onderdelen te geven zonder na-bewerking.

Afbeelding 4: Architectuurmodel geprint met FDM. Bron: Raise3D

Stereolithografie (SLA)

Het is de tweede meest voorkomende 3D-printtechnologie. Het baseert zich op het selectief blootstellen van een vat met fotogevoelige hars aan ultraviolett licht, laag voor laag. Deze selectieve blootstelling kan via een laserscan (SLA), een projector (DLP) of een gemaskerde led (LED-LCD / MSLA) gebeuren.

Afbeelding 5: Verschillen tussen SLA, DLP en MSLA. Bron: theorthocosmos.com

Net als 3D FDM-printen, vereist het ondersteuningen die na het printen verwijderd moeten worden, echter, 3D SLA-printen staat momenteel niet toe om gelijktijdig met twee materialen te printen, zodat de enige manier om de ondersteuningen te verwijderen mechanisch is. Dit betekent dat in dit geval het oppervlak van het onderdeel ook beïnvloed wordt in die gebieden waar er contact was met de ondersteuningen.

Afbeelding 6: Ondersteuningen van een met SLA geprint onderdeel. Bron: 3Dhubs.com

Een ander fundamenteel verschil met 3D FDM-printen is dat het thermoharderende polymeren gebruikt in plaats van thermoplasten. Bovendien zijn SLA-materialen doorgaans duurder dan FDM-materialen en hebben ze een zekere toxiciteit. Dit, samen met het feit dat de onderdelen reinigings- en na-bewerkingstaken vereisen, maakt deze technologie minder aanbevolen voor het educatieve sector.

Toch is zijn sterke punt de hoge resolutie en de uitstekende oppervlakteafwerking die bereikbaar is met 3D SLA-printen. Over het algemeen kunnen resoluties van tot 50 µm in alle vlakken bereikt worden.

Ondanks het bestaan van SLA-printers met grote printvolumes vergelijkbaar met die van 3D FDM-printers, hebben 3D SLA-printers over het algemeen aanzienlijk lagere printvolumes.

Het is perfect voor het printen van kleine onderdelen die hoge resolutie en uitstekende oppervlakteafwerkingen vereisen. Het is momenteel de populairste 3D-printtechnologie in de tandheelkundige en juwelierssector. Daarom heeft het de meest uitgebreide catalogus van tandheelkundige en gietbare harsen.

Afbeelding 7: Tandheelkundige modellen geprint met SLA. Bron: Formlabs.

Selectieve Lasersintering (SLS)

Het is waarschijnlijk de minst bekende technologie, ondanks het een van de oudste en meest gangbare in industriële omgevingen is.

Dit komt doordat tot voor kort alle SLS 3D-printapparatuur geschikte faciliteiten vereiste en de kosten van zowel de apparatuur als de implementatie hoog waren. Hoewel in de afgelopen jaren dit veranderd is dankzij het verschijnen van SLS-printers in desktopformaat, zoals de Lisa en Lisa Pro printers, wervoor de aanschaf- en implementatiekosten dichtbij die van FDM- en SLA-systemen liggen. Hoewel deze technologie de productie van zowel thermoplastische als metalen onderdelen toestaat, en het doel van dit artikel is om de verschillen tussen de drie technieken te begrijpen, zullen we ons alleen richten op 3D SLS thermoplastisch printen.

3D SLS-printen bestaat uit het selectief sinteren, met behulp van een laserscansysteem, van lagen poedermateriaal. Telkens een gelaag gesinterd is, daalt het bouwplatform en een speciaal apparaat genaamd recoater brengt een nieuwe laag poeder aan.

Afbeelding 8: Schema van een SLS-printer. Bron: Sinterit.

Het belangrijkste voordeel van deze technologie is de mogelijkheid om te printen zonder ondersteuningen. Dit maakt de ontwerpbeperkingen veel minder dan bij enige andere technologie, naast het feit dat het de na-bewerking van de onderdelen enorm vereenvoudigt.

Dit, gecombineerd met de hoge precisie die bereikt wordt door de laser, superieur aan die verkregen met 3D SLA- of FDM-printen, maakt het mogelijk om complexe samenstellingen direct te printen, zonder de componenten afzonderlijk te hoeven printen.

Film 2: Fietsversnelling direct geproduceerd met 3D SLS-printen. Bron: Sinterit.

Een ander belangrijk voordeel is dat de met SLS geprintte onderdelen dicht en een hoge isotropie hebben, wat het de ideale technologie maakt voor de productie van functionele modellen en prototypes. Al dit, samen met de goede oppervlakteafwerking, maakt het ook geschikt voor de productie van kleine series eindproducten.

SLS 3D-printers hebben niet zo'n breed aanbod aan compatibele materialen als 3D FDM-printen, echter de mogelijkheid om technische materialen te gebruiken zoals verschillende soorten nylon, of TPE en TPU, maakt het in staat om de meeste toepassingen te dekken.

Film 3: Onderdeel geprint op TPU met 3D SLS-printen. Bron: Sinterit.

Ondanks alle voordelen, is de belangrijkste beperkende factor van 3D SLS-printen het build-volume. Hoewel industriële apparatuur grote build-volumes heeft vergelijkbaar met die in FDM-systemen, hebben desktop SLS 3D-printers printvolumes vergelijkbaar met SLA-printers.

Ook, hoewel de na-bewerking van onderdelen beperkt is tot reinigen om overtollig poeder zonder te sinteren te verwijderen, vereisen SLS 3D-printers voorbereiding en reiniging die het minder direct maken dan FDM-printen.

Hoewel al deze kenmerken deze technologie hebben gemaakt tot de industrie-standaard, hebben de hoge kosten de toegang ertoe beperkt voor kleine en middelgrote bedrijven. Met het verschijnen van betaalbare desktop SLS 3D-printers als Lisa en Lisa Pro in de afgelopen jaren, verandert dit. Hoewel de kosten nog steeds iets hoger liggen dan equivalenten in FDM en SLA, is de kost momenteel geen bepalende factor meer bij het kiezen van de ene of andere technologie.

Afbeelding 9: Sinterit Lisa Pro. Bron: Sinterit.

Vergelijking tussen FDM, SLA en SLS

Om de drie technieken goed te vergelijken, moeten we dit op twee niveaus doen: in termen van kenmerken en in termen van ontwerp- en productiebeperkingen.

Hieronder worden de belangrijkste kenmerken van elke technologie vergeleken:

De volgende tabel toont de ontwerpbeperkingen van elke technologie:

Vandaag de dag zijn printers op basis van deze drie technologieën beschikbaar op de markt in een vergelijkbare prijsrange, zoals printers van de fabrikanten Raise3D, Formlabs of Sinterit. Dankzij dit, zullen de enige criteria bij de beslissing om de ene of andere technologie te implementeren, technische criteria zijn.

Het is noodzakelijk om de behoeften en het gebruik dat aan de 3D-printer gegeven zal worden goed af te wegen om te beslissen welke technologie het meest geschikt is en de investering rendabel te maken.