Hoogwaardige prototypes maken met 3D-printen

Een prototype is het eerste voorbeeld van een product dat geproduceerd moet worden, dienend als uitgangspunt voor het uitvoeren van de noodzakelijke wijzigingen, als model om te repliceren of als matrix om een gietvorm te produceren.

Dus is prototyping een experimenteel proces waarmee ontwerpteams hun ideeën kunnen materialiseren. Prototyping is een zeer nuttig proces in diverse sectoren, wat iteraties toestaat tot het gewenste resultaat bereikt is.

Afbeelding 1: 3D-geprint helmprototype met Raise Pro2 Plus. Bron: KIDO Sports.

Er zijn verschillende typen productprototyping met verschillende functies:

• Laag-vertrouwens prototypes (Low fidelity): Laag-vertrouwens prototypes kunnen in een korte periode uitgevoerd worden, met grote directheid, en fungeren als studiemodel, wat analyse van verschillende aspecten toestaat om de noodzakelijke wijzigingen aan het model te maken voordat het eindproductontwerp bereikt is.
• Ontwerpprototypes: Ontwerpprototypes worden uitgevoerd om het productontwerp te valideren.
• Geometrische prototypes: Dit type prototype wordt geproduceerd om de geometrie van het product te controleren en zo nodig aan te passen.
• Functionele prototypes: Deze prototypes worden uitgevoerd om het gedrag van de gebruikte materialen te analyseren en de functionaliteit van het product te testen.
• Technische prototypes: In dit geval wordt het prototype gebruikt als globaal studiemodel, wat analyse van al zijn kenmerken toestaat.
• Hoog-vertrouwens prototypes (High fidelity): Deze bestaan uit de productie van een prototype identiek aan het eindproduct. Het is ten zeerste aanbevolen om dit type prototyping uit te voeren voordat de massaproductie van een product gestart wordt.

Momenteel zijn er verschillende processen voor de productie van prototypes, zoals CNC-bewerking, injectiegieten, of 3D-printen.

Snel prototypen (Rapid prototyping)

3D-printen is direct gerelateerd aan rapid prototyping vanwege de directheid die deze productiemethode biedt en de diverse mogelijkheden die het biedt, afhankelijk van de gebruikte technologie en materialen, wat het een wijd gebruikte productiemethode maakt voor low-fidelity prototyping.

Video 1: Rapid prototyping van DLimit. Bron: BCN3D.

Rapid prototyping met 3D-printen heeft als doel modellen te produceren om één of meer aspecten van het product te testen en zo in staat te zijn om het zo nodig op een vlotte en directe manier aan te passen tot het eindontwerp bereikt is, waarborgend zowel de vorm als functionaliteit van het product.

Voor de productie van prototypes met 3D-printen, moet rekening gehouden worden met welke technologie het meest geschikt is. Elke technologie heeft voor- en nadelen, dus het is nodig de fundamenten te kennen waarop de werking gebaseerd is alsook de beperkingen om de meest geschikte voor elk behoefte te vinden.

De meest wijdverspreide 3D-printtechnologieën zijn:

• Gesmolten materiaaldedepositie (FDM)
• Selectieve lichtverharding van harsen (SLA)
• Selectieve lasersintering (SLS)

Hieronder is een vergelijkingstabel te zien:

Tabel 1: Vergelijking tussen verschillende 3D-printtechnologieën. Bron: Filament2print.

Voor een diepere blik op de kenmerken en beperkingen van elke technologie, raden we aan het artikel "Hoe de juiste technologie te kiezen: FDM, SLA en SLS" te lezen.

Enkele van de voordelen die 3D-printprototyping biedt zijn:

Snelheid: Afhankelijk van de gebruikte 3D-printtechnologie zal de productiesnelheid hoger of lager zijn, maar 3D-printen is over het algemeen een productiemethode die directheid biedt.

Kosten- en middelenbesparing: Afhankelijk van de complexiteit van het onderdeel en de gebruikte materialen, kan het gebruik van 3D-printen voor prototyping van onderdelen leiden tot aanzienlijke kosten- en middelenbesparing vergeleken met andere traditionele productiemethoden.

Duurzaamheid: Door 3D-printapparatuur in de eigen productiefaciliteiten van het bedrijf te hebben, worden prototypes lokaal geproduceerd, wat de koolstofvoetafdruk vermindert vergeleken met externe productie. Bovendien is het vaak mogelijk om met biologisch afbreekbare, gerecyclede of recycleerbare materialen te werken en, door de aard van de productiemethode, worden afval en materiaalverspilling geminimaliseerd.

Van prototyping naar productie

Initiëel werd 3D-printen alleen gebruikt voor prototyping. Echter, nu wordt het ook als een additionele productiemethode gebruikt. Dit is voornamelijk te danken aan twee factoren:

Ontwikkeling van materialen

Een van de factoren die het mogelijk maken om kleine series van eindonderdelen met 3D-printen te produceren is de ontwikkeling van materialen die toepassingen in veeleisende omgevingen mogelijk maken dankzij hun mechanische eigenschappen of specifieke eigenschappen.

Een voorbeeld hiervan zijn ESD-materialen, die beschikbaar zijn in filament, poeder en zelfs harsvorm, en die het produceren van producten met elektrostatische ontladingsbescherming mogelijk maken.

Voortgang in 3D-printtechnologieën

Dankzij de vooruitgang in de laatste jaren en het R&D-werk van apparatenfabrikanten, hebben de functies die 3D-printers bieden aanzienlijk verbeterd, tot het punt dat ze hoogst complexe onderdelen met industriële kwaliteit kunnen produceren.

Alle 3D-printtechnologieën hebben aanzienlijk gevorderd. Voorbeelden zijn FormLabs' SLA 3D-printers voor de medische en tandheelkundige sector, Form 3B+ en Form 3BL, die biocompatibele materialen kunnen 3D-printen; of Sinterit's SLS 3D-printers, die zeer complexe onderdelen zonder ondersteuningen kunnen produceren, evenals desktopmodellen zoals Lisa, Lisa Pro of Lisa X.

Afbeelding 3: Productie van eindproducten voor de tandheelkundige sector. Bron: FormLabs.

Ongetwijfel staat 3D-printproductie professioneel gebruikers toe om prototypes en zelfs eindonderdelen van industriële kwaliteit te produceren, en is momenteel een van de meest gebruikte productiemethoden voor rapid prototyping in een veelheid sectoren. Dankzij de variëteit aan technologieën, apparatuur en materialen, is het mogelijk om oplossingen te vinden voor bijna elke toepassing.