De ultieme gids voor 3D-printen:voordelen, nadelen en sleuteltechnologieën

Wat is 3D-printen?

3D-printen is een additieve productietechnologie die wordt gebruikt om onderdelen te produceren uit een breed scala aan kunststoffen en metalen. Er zijn veel verschillende technologieën beschikbaar, van FDM (Fused Deposition Modeling), waarbij plastic laag voor laag wordt geëxtrudeerd, tot DMLS (Direct Metal Laser Sintering), waarbij een laser wordt gebruikt om metaalpoeder laag voor laag samen te smelten tot een uiteindelijk onderdeel. Raadpleeg onze gids over 3D-printen voor meer informatie.

Wat zijn de voordelen van 3D-printen?

Pro's op het gebied van 3D-printen zijn:

1. Afdrukken op aanvraag

3D-printen vereist een zeer beperkte installatie om te beginnen met printen. Het installatieproces en de 3D-printmachine zijn hetzelfde, ongeacht het type onderdeel dat wordt geprint. Het enige dat nodig is, is het converteren van het 3D-model van het onderdeel, meestal afgehandeld met OEM-software of software van derden. Nadat de conversie is voltooid, wordt het bestand in de printer geladen via een USB-A-connector, draadloos of een SD-kaart. Het materiaal wordt vervolgens aan de printer toegevoegd, meestal in de vorm van een vloeibaar fotopolymeer, een filament of een poeder. Daarna gaat het printproces verder zonder enige menselijke tussenkomst. Wanneer het onderdeel voltooid is, kan er enige nabewerking nodig zijn, zoals het verwijderen van ondersteunende structuren. On-demand cloudservices vereisen eenvoudigweg een 3D-model en zullen uw item in 3D printen en verzenden zonder dat u in een 3D-printer hoeft te investeren. 

2. Redelijk geprijsd

Het 3D-printproces is redelijk geprijsd in vergelijking met andere productietechnologieën zoals spuitgieten. Dit geldt vooral bij lage tot gemiddelde productievolumes en een hoge onderdeelcomplexiteit. Dit komt omdat 3D-printers vanaf $ 200 kosten, terwijl gebruikte 3D-printers zelfs nog goedkoper zijn. Materialen kunnen ook slechts $ 15 per kg kosten – voor ABS bijvoorbeeld. Hoewel 3D-printmaterialen over het algemeen duurder zijn dan de vergelijkbare basisgrondstofkosten. Dit komt door de vereiste om de grondstof voor te bereiden op het specifieke drukproces, d.w.z. filamentspoelen voor FDM en fijn poeder voor SLS. Ondanks deze extra grondstofkosten gebruikt 3D-printen minder materiaal omdat het niet volledig dicht is. 

3. Milieuvriendelijk

3D-printen kan als milieuvriendelijk worden beschouwd vanwege het gebruik van recyclebare materialen zoals metalen en thermoplastische materialen. Onderdelen kunnen ook precies daar worden geprint waar ze nodig zijn, in plaats van te worden verzonden vanuit een gecentraliseerde fabriek voor zware productie. Dit elimineert de aanzienlijke energiekosten die gepaard gaan met transport. Het additieve karakter van 3D-printen resulteert ook in minder verspilling.

4. Snel prototypen

De lage kosten en print-on-demand-functies van 3D-printen maken het bij uitstek geschikt voor het ontwikkelen van prototypes. Een 3D-geprint onderdeel kan in minder dan een dag worden geproduceerd. Dit maakt een snelle iteratie van nieuwe concepten mogelijk zonder de initiële gereedschapskosten die kenmerkend zijn voor andere veel voorkomende technologieën zoals spuitgieten. 

5. Toegankelijkheid

3D-printen heeft de afgelopen tien jaar een brede acceptatie gekregen. Dit is terug te voeren op enkele belangrijke patenten van Stratasys die in 2009 aflopen. Het open-source karakter van 3D-printen heeft sindsdien de ontwikkeling van goedkope 3D-printmachines voor consumenten mogelijk gemaakt. Dankzij de grotere gebruikersbasis kon een grote hoeveelheid gemakkelijk toegankelijke online kennis worden gecreëerd over best practices, foutopsporing en algemene optimalisatietechnieken voor 3D-printen. Dit heeft een ongekende toegankelijkheid mogelijk gemaakt die zeer zeldzaam is in andere technologieruimtes.

6. Geavanceerde medische zorg

De acceptatie van 3D-printen in de medische industrie heeft een aanzienlijke toename van gepersonaliseerde medische zorg mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van op maat gemaakte, op de patiënt afgestemde implantaten, prothesen en bioprinten van organen. Er zijn ook veel biocompatibele materialen ontwikkeld voor gebruik in de medische industrie.

7. Ontwerpflexibiliteit

3D-printen kent minder ontwerpbeperkingen in vergelijking met andere technologieën. Complexe interne ruimtes zijn bijvoorbeeld niet mogelijk met CNC-bewerking en spuitgieten zonder toevlucht te nemen tot assemblages uit meerdere componenten. Dit voegt kosten en complexiteit toe. Met 3D-printen kunnen complexe onderdelen net zo eenvoudig worden geprint als eenvoudige onderdelen. Hoewel 3D-printen nog steeds een reeks DFM-richtlijnen (Design for Manufacturing) kent, zijn deze echter niet zo beperkend als andere productietechnologieën. 

8. Afvalvermindering

3D-printen levert heel weinig afval op. Dit afval heeft doorgaans de vorm van ondersteunende structuren die na het printen worden verwijderd, in het geval van SLS-geprinte onderdelen. Deze ondersteuningsconstructies zijn geoptimaliseerd om zo licht mogelijk te zijn. Subtractieve productietechnieken vereisen de verwijdering van grote hoeveelheden materiaal, wat aanzienlijk afval oplevert. Additieve technologieën zoals 3D-printen zijn ontworpen om alleen selectief materiaal toe te voegen waar dat nodig is. Dit compenseert vervolgens het minimale afval dat door steunconstructies wordt geproduceerd. 

9. Sterke en lichtgewicht componenten

3D-printen voegt alleen materiaal toe precies daar waar het nodig is. Interne volumes kunnen bijvoorbeeld zo worden gemaakt dat ze gaasstructuren hebben die dicht zijn waar de spanningsconcentraties hoog zijn en minder dicht in gebieden waar ze laag zijn. Technieken zoals topologische optimalisatie en generatief ontwerp produceren ook onderdelen waarvan de geometrie is geoptimaliseerd voor een specifiek belastinggeval en verwijderen materiaal daar waar het geen structureel voordeel heeft. Deze technieken produceren vaak onderdelen met zeer complexe, organische geometrieën, waardoor ze onmogelijk met andere technologieën kunnen worden vervaardigd. 

10. Snel ontwerp en productie

Om te begrijpen hoe u moet ontwerpen voor 3D-printen, is bekendheid met de DFM-vereisten vereist. Het is minder streng dan andere fabricagetechnologieën. Dit maakt het voor ingenieurs gemakkelijker om onderdelen te ontwerpen, omdat ze geen rekening hoeven te houden met het brede scala aan beperkingen dat aanwezig is in andere productietechnologieën. Qua productie is 3D-printen vaak sneller, vooral voor complexe onderdelen. Complexe onderdelen hebben mogelijk meerdere opstellingen op een CNC-machine nodig en moeten mogelijk ook op meerdere machines worden vervaardigd, terwijl 3D-printen het hele onderdeel in één opstelling kan voltooien. 

Wat zijn de nadelen van 3D-printen?

De nadelen van 3D-printen zijn:

1. Nabewerking

De meeste 3D-geprinte onderdelen vereisen een vorm van nabewerking. Typische nabewerkingen omvatten het verwijderen van ondersteuning, uitharden met UV-licht, sinteren in een oven, polijsten en zelfs machinaal bewerken van kenmerken met hoge tolerantie, zoals lagerhuizen.  

2. Auteursrechtproblemen

Vanwege het gemak en de lage kosten waarmee 3D-geprinte objecten kunnen worden vervaardigd, wordt het gemakkelijk om ontwerpen te dupliceren zonder toestemming van de oorspronkelijke maker. Er zijn miljoenen gratis beschikbare ontwerpen op internet die gemakkelijk kunnen worden gedownload en gekopieerd zonder dat de oorspronkelijke eigenaar van het intellectuele eigendom wordt gecrediteerd of gecompenseerd, of dat hij zich daar ooit van bewust is. 3D-scannen is ook toegankelijker geworden, wat betekent dat objecten uit de echte wereld kunnen worden gescand en vervolgens kunnen worden gedupliceerd. 

3. Grote hoeveelheden

3D-printen is altijd een productieproces met kleine tot middelgrote volumes geweest. Dit komt vooral door de laag-voor-laag werkwijze waarbij 3D-geprinte objecten worden vervaardigd. Dit probleem wordt nog versterkt als onderdelen van hoge kwaliteit gewenst zijn, waarbij dunnere lagen tegelijk moeten worden geplaatst. Sommige printtechnologieën, zoals HP Multijet, kunnen het volledige volume gebruiken om meerdere onderdelen te printen. Maar toch is de cyclustijd aanzienlijk langzamer dan bij andere, meer volwassen productietechnologieën. 

4. Materialen zijn beperkt

3D-printen voegt voortdurend nieuwe materialen toe. Deze zijn echter nog steeds beperkt in vergelijking met meer volwassen productietechnologieën. Hoewel het mogelijk is om onderdelen in veel populaire kunststoffen en metalen te printen, is het niet mogelijk gebruik te maken van de duizenden legeringen en verbindingen die zijn ontwikkeld. Dit komt simpelweg omdat deze legeringen en verbindingen niet zijn omgezet in een vorm die compatibel is met 3D-printen. 

5. Deelstructuur

Sommige 3D-printtechnologieën zoals FDM en SLS produceren onderdelen waarvan de eigenschappen anisotroop zijn. Dit betekent dat de prestaties van de onderdelen variëren afhankelijk van de richting van de belasting. Normaal gesproken zijn de onderdelen het zwakst op de Z-as, die wordt gedefinieerd als de as die omhoog wijst vanaf het printbed van de 3D-printer. 

6. Beperkingen op de bouwgrootte

3D-printers hebben een breed scala aan bouwgroottes. De printers die gewoonlijk voor productie worden gebruikt, hebben echter een bouwvolume dat kleiner is dan grootschalige productietechnologieën zoals:lasersnijden, horizontaal frezen en metaalgieten. Als zodanig wordt 3D-printen over het algemeen gebruikt voor de kleinschalige vervaardiging van complexe componenten. Opgemerkt moet worden dat er uitzonderingen op deze regel bestaan, aangezien sommige gespecialiseerde 3D-printers zeer grote bouwvolumes hebben.

7. Banenverlies in de productie

3D-printen is een sterk geautomatiseerde technologie. De enige interactie van een mens is:het instellen, verwijderen en nabewerken van onderdelen, die doorgaans allemaal door één persoon kunnen worden afgehandeld. Sterker nog, één persoon kan gemakkelijk meerdere machines bedienen. Een 3D-printer kan ook een onderdeel produceren waarvoor doorgaans meerdere machines nodig zijn en, bij uitbreiding, meerdere machineoperatoren. Dit betekent dat sommige taken overbodig kunnen worden gemaakt in gevallen waarin 3D-printen van toepassing is. Dit is echter niet uniek voor 3D-printen en vindt plaats in de hele productiesector. 

8. Onnauwkeurigheden in ontwerp

3D-geprinte objecten staan niet bekend om hun nauwkeurigheid en maatvastheid. Tijdens het printen kunnen onderdelen kromtrekken. Zelfs de meest nauwkeurige 3D-printers kunnen de nauwkeurigheid niet evenaren die haalbaar is met CNC-machines van het hoogste niveau. CNC-machines kunnen herhaaldelijk onderdelen produceren met een nauwkeurigheid van 0,025 mm vergeleken met 0,4 mm met DMLS 3D-printmachines. 

Veelgestelde vragen over de voor- en nadelen van 3D-printen

Wat moet ik weten voordat ik een 3D-printer aanschaf?

Bij de aanschaf van een 3D-printer is het belangrijk om de beoogde toepassing te begrijpen. Als het doel bijvoorbeeld is om visuele prototypes te produceren, dan is een FDM-printer wellicht beter geschikt. Als het echter nodig is onderdelen van lucht- en ruimtevaartkwaliteit te produceren voor toepassingen met hoge spanning, dan zouden technologieën zoals DMLS beter zijn. Raadpleeg onze gids over de 10 dingen waarmee u rekening moet houden bij het kopen van een 3D-printer voor meer informatie.

Welke toepassingen heeft 3D-printen vandaag de dag?

3D-printtoepassingen zijn gevarieerd. Het is in elke grote industrie geïnfiltreerd en heeft toepassingen in de automobiel-, ruimtevaart-, medische, biotech- en zelfs de voedingsindustrie. In sommige gevallen wordt 3D-printen gebruikt om heupgewrichten te produceren en in andere gevallen speelt het een ondersteunende rol om waarde toe te voegen aan bestaande productietechnologieën zoals mallen voor CNC-bewerking. Zie ons artikel over de toepassingen van 3D-printen voor meer informatie.

Welke toepassingen zal 3D-printen in de toekomst hebben?

De 3D-printtechnologie zal zich blijven ontwikkelen. Veel van de nadelen die vandaag de dag aanwezig zijn, kunnen in de komende tien jaar verdwenen zijn. 3D-printen is op weg een meer mainstream productietechnologie te worden met een breed scala aan toepassingen. Een van de meest opwindende ontwikkelingen is de productie van patiëntspecifieke organen voor afstotingsvrije transplantaties. Een andere mogelijkheid is de productie van onderdelen met vloeistofkanalen, meerdere materialen en diverse andere hulpcomponenten die in één keer in het onderdeel worden gedrukt. Een voorbeeld hiervan is de poot van de volgende generatie van de Boston Dynamics Atlas-robot.

Is 3D-printen voordelig?

Ja, 3D-printen is voordelig en heeft in veel toepassingen toepassing gevonden. In gevallen waarin het niet kan worden gebruikt om een onderdeel rechtstreeks te vervaardigen, wordt 3D-printen gebruikt om de efficiëntie van machine- en assemblage-operators te verbeteren.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde de voor- en nadelen van 3D-printen, legde uit wat ze zijn, en besprak hoe elk een rol speelt bij 3D-printen in de productie. Neem voor meer informatie over 3D-printen contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements