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

Wat is 3D-printen?

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

Wat zijn de voordelen van 3D-printen?

1. Print on Demand

3D-printen vereist een zeer beperkte setup om te beginnen met printen. Het setupproces en de 3D-printer zijn hetzelfde ongeacht het type onderdeel dat geprint wordt. Alles wat vereist is, is het converteren van het 3D-model van het onderdeel, meestal afgehandeld met OEM of third-party software. Na voltooiing van de conversie 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 als vloeibare fotopolymer, filament of poeder. Daarna loopt het printproces door zonder menselijke tussenkomst. Wanneer het onderdeel compleet is, kan post-processing, zoals het verwijderen van ondersteuningsstructuren, vereist zijn. On-demand cloud services vereisen slechts een 3D-model en zullen je item 3D-printen en versturen zonder de noodzaak om te investeren in een 3D-printer.

2. Redelijk geprijsd

Het 3D-printproces is redelijk geprijsd vergeleken met andere productietechnologieën zoals injectiegieten. Dit is vooral waar bij lage tot middelgrote productievolumes en hoge onderdeelcomplexiteit. Dit komt doordat 3D-printers geprijsd zijn vanaf $200, met gebruikte 3D-printers nog goedkoper. Materialen kunnen ook zo laag als $15 per kg kosten — voor ABS bijvoorbeeld. Hoewel 3D-printmaterialen doorgaans duurder zijn dan de vergelijkbare basale grondstofkosten. Dit komt door de vereiste om de grondstof voor te bereiden voor het specifieke printproces, namelijk filamentspoelen voor FDM en fijn poeder voor SLS. Ondanks deze additionele grondstofkosten, gebruikt 3D-printen minder materiaal door niet volledig dicht te zijn.

3. Eco-friendly

3D-printen kan als eco-friendly beschouwd worden door het gebruik van herbruikbare materialen zoals metalen en thermoplasten. Onderdelen kunnen ook precies daar geprint worden waar ze nodig zijn in plaats van verzonden te worden vanaf een gecentraliseerde zware productieplant. Dit elimineert de significante energiekosten geassocieerd met transport. De additieve aard van 3D-printen resulteert ook in minder afval.

4. Snelle prototyping

De lage kosten en print-on-demand kenmerken van 3D-printen maken het ideaal geschikt voor het ontwikkelen van prototypes. Een 3D-geprint onderdeel kan in minder dan een dag geproduceerd worden. Dit stelt snelle iteratie van nieuwe concepten toe zonder de voorafgaande toolingkosten typisch voor andere veelvoorkomende technologieën zoals injectiegieten.

5. Toegankelijkheid

3D-printen heeft wijdverspreide adoptie gekregen over het afgelopen decennium. Dit kan herleid worden tot sommige sleutelpatenten die Stratasys hield, die in 2009 verlopen. De open-source aard van 3D-printen sindsdien heeft toegelaten voor de ontwikkeling van laagkost consumenten 3D-printmachines. De toegenomen gebruikersbasis heeft toegelaten voor de creatie van een groot lichaam van gemakkelijk toegankelijke online kennis over best practices, foutopsporing en algemene optimalisatietechnieken voor 3D-printen. Dit heeft ongekende toegankelijkheid mogelijk gemaakt die zeldzaam is in andere technologieruimtes.

6. Geavanceerde medische zorg

De adoptie van 3D-printen in de medische industrie heeft een significante toename in gepersonaliseerde medische zorg mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van aangepaste, patiënt-gematcheerde implantaten, prothesen en bioprinten van organen. Veel biocompatibele materialen zijn ook ontwikkeld voor gebruik in de medische industrie.

7. Ontvrijheid

3D-printen heeft minder ontwerpbeperkingen vergeleken met andere technologieën. Bijvoorbeeld, complexe interne hohlrumen zijn niet mogelijk met CNC-frezen en injectiegieten zonder te hoeven resorten tot multi-component assemblages. Dit voegt kosten en complexiteit toe. Met 3D-printen kunnen complexe onderdelen net zo gemakkelijk geprint worden als eenvoudige. Hoewel 3D-printen nog steeds een reeks DFM (Design for Manufacturing) richtlijnen heeft, zijn deze echter minder restrictief dan andere productietechnologieën.

8. Afvalreductie

3D-printen produceert zeer weinig afval. Dit afval is typisch in de vorm van ondersteuningsstructuren die na het printen worden verwijderd, in het geval van SLS-geprinte onderdelen. Deze ondersteuningsstructuren zijn geoptimaliseerd om zo licht mogelijk te zijn. Subtractieve productietechnieken vereisen de verwijdering van grote volumes materiaal wat significante afval produceert. Additieve technologieën zoals 3D-printen zijn ontworpen om selectief materiaal toe te voegen alleen waar nodig. Dit compenseert dan het minimale afval geproduceerd door ondersteuningsstructuren.

9. Sterke en lichte componenten

3D-printen voegt materiaal toe precies waar nodig. Bijvoorbeeld, interne volumes kunnen mesh-structuren hebben die dicht zijn waar spanningsconcentraties hoog zijn en minder dicht in gebieden waar ze laag zijn. Technieken zoals topologische optimalisatie en generatief ontwerp produceren ook onderdelen wier geometrie geoptimaliseerd is voor een specifieke belastingssituatie en verwijderen materiaal waar het geen structureel voordeel heeft. Deze technieken produceren vaak onderdelen met hoogst complexe, organische-stijl geometrieën wat ze onmogelijk maakt om met andere technologieën te produceren.

10. Snel ontwerp en productie

Begrijpen hoe te ontwerpen voor 3D-printen vereist bekendheid met de DFM-eisen. Het is minder streng dan andere fabricagetechnologieën. Dit maakt het makkelijker voor ingenieurs om onderdelen te ontwerpen, omdat ze niet hoeven te rekening te houden met het brede scala aan beperkingen in andere productietechnologieën. Wat productie betreft, is 3D-printen vaak sneller, met name voor complexe onderdelen. Complexe onderdelen kunnen meerdere setups op een CNC-machine nodig hebben en mogelijk op meerdere machines geproduceerd moeten worden, terwijl 3D-printen het hele onderdeel in één setup kan voltooien.

Wat zijn de nadelen van 3D-printen?

1. Post-processing

De meeste 3D-geprinte onderdelen vereisen een vorm van post-processing. Typisch post-processing kan omvatten ondersteuningsverwijdering, UV-licht curing, sinteren in een oven, polijsten, en zelfs bewerken voor hoge-tolerantie kenmerken zoals lagerbehuizingen.

2. Auteursrechtenzorgen

Vanwege de gemak en lage kosten waarmee 3D-geprinte objecten geproduceerd kunnen worden, wordt het makkelijk om ontwerpen te dupliceren zonder toestemming van de oorspronkelijke maker. Er zijn miljoenen vrij beschikbare ontwerpen op het internet die gemakkelijk gedownload en gekopieerd kunnen worden zonder crediteren of compenseren van de oorspronkelijke eigenaar van het intellectuele eigendom of dat ze er ooit van op de hoogte komen. 3D-scannen is ook toegankelijker geworden, wat betekent dat real-world objecten gescand en vervolgens gedupliceerd kunnen worden.

3. Grote hoeveelheden

3D-printen is altijd een laag- tot middelgrote-volume productieproces geweest. Dit is voornamelijk door de laag-voor-laag methode waarmee 3D-geprinte objecten geproduceerd worden. Dit probleem wordt verder verergerd als hoge-kwaliteit onderdelen gewenst zijn die dunne lagen vereisen. Sommige printtechnologieën, zoals HP multijet, kunnen het gehele volume benutten om meerdere onderdelen te printen. Maar zelfs zo, is de cyclus tijd significant langzamer dan andere meer volwassen productietechnologieën.

4. Materialen zijn beperkt

3D-printen voegt continu nieuwe materialen toe. Echter, deze zijn nog steeds beperkt vergeleken met meer volwassen productietechnologieën. Hoewel het mogelijk is om onderdelen te printen in veel populaire kunststoffen en metalen, is het niet mogelijk om de duizenden legeringen en verbindingen te benutten die ontwikkeld zijn. Dit is simpelweg omdat deze legeringen en verbindingen niet geconverteerd zijn in een vorm die compatibel is met 3D-printen.

5. Onderdeelstructuur

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

6. Bouwgrootte-beperkingen

3D-printers hebben een breed scala aan bouwwaarden. Echter, de printers die doorgaans voor productie gebruikt worden, hebben bouvolumes kleiner dan grootschalige productietechnologieën zoals: lasersnijden, horizontale frezen en metaalgieten. Als zodanig wordt 3D-printen doorgaans gebruikt voor kleinschalige productie van complexe componenten. Het moet worden opgemerkt dat er uitzonderingen op deze regel zijn, aangezien sommige gespecialiseerde 3D-printers zeer grote bouvolumes hebben.

7. Banenverlies in productie

3D-printen is een hoogst geautomatiseerde technologie. De enige interactie van een mens is: onderdeel setup, verwijdering en post-processing, wat allemaal doorgaans door één persoon afgehandeld kan worden. In feite kan één persoon gemakkelijk meerdere machines bedienen. Een 3D-printer kan ook een onderdeel produceren dat doorgaans meerdere machines en, daardoor, meerdere machineoperators zou vereisen. Dit betekent dat sommige banen redundant kunnen worden in gevallen waar 3D-printen toepasbaar is. Echter, dit is geen situatie uniek voor 3D-printen en neemt plaats over de hele productiesector.

8. Onnauwkeurigheden in ontwerp

3D-geprinte objecten zijn niet bekend om hun nauwkeurigheid en dimensionale stabiliteit. Onderdelen kunnen vervormen tijdens het printen. Zelfs de meest nauwkeurige 3D-printers kunnen de nauwkeurigheid niet evenaren die haalbaar is met top-tier CNC-machines. CNC-machines kunnen herhaaldelijk onderdelen produceren met een nauwkeurigheid van 0,025 mm vergeleken met 0,4 mm bij DMLS 3D-printmachines.

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

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

Bij het kopen van een 3D-printer is het belangrijk om de beoogde toepassing te begrijpen. Bijvoorbeeld, als het doel is visuele prototypes te produceren, dan kan een FDM-printer beter geschikt zijn. Echter, als de behoefte is om luchtvaart-kwaliteit onderdelen te produceren voor hoge-spanning toepassingen, dan zouden technologieën zoals DMLS beter zijn. Zie onze gids over de 10 dingen om te overwegen bij het kopen van een 3D-printer voor meer informatie.

Wat zijn de toepassingen van 3D-printen vandaag?

3D-printtoepassingen zijn gevarieerd. Het heeft elke grote industrie geïnfiltreerd en heeft toepassingen in de automotive, luchtvaart, medische, biotech en zelfs de voedingsindustrie. In sommige gevallen wordt 3D-printen gebruikt om heupgewrichten te produceren en in andere gevallen neemt het een hulprol aan om waarde toe te voegen aan bestaande productietechnologieën zoals schablonen voor CNC-frezen. Zie ons artikel over de Toepassingen van 3D-printen voor meer informatie.

Wat zullen de toepassingen van 3D-printen in de toekomst zijn?

3D-printtechnologie zal verder volrijpen. Veel van de nadelen die vandaag aanwezig zijn, kunnen in het volgende decennium verdwenen zijn. 3D-printen is op koers om een meer mainstream productietechnologie te worden met een breed scala aan toepassingen. Een van de opwindende vooruitgang is de productie van patiënt-specifieke organen voor afstoting-vrije transplantaties. Een andere is de productie van onderdelen met vloeistofkanalen, meerdere materialen en diverse andere auxiliaire componenten in één keer geprint in het onderdeel. Een voorbeeld zou de been van de volgende generatie van de Boston Dynamics Atlas robot zijn.

Is 3D-printen voordelig?

Ja, 3D-printen is voordelig en heeft toepassingen gevonden in veel toepassingen. In gevallen waar het niet direct gebruikt kan worden om een onderdeel te produceren, vindt 3D-printen toepassingen in het verbeteren van de efficiëntie van machine- en montageoperators.

Samenvatting

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

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, inclusief 3D-printen en andere meerwaarde diensten voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of om een gratis, niet-binderende offerte aan te vragen.

Disclaimer

De inhoud van deze webpagina is uitsluitend bedoeld voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele garantie of waarborg, noch expliciet noch impliciet, wat de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie betreft. Prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden geïnterpreteerd als representatief voor wat zal worden geleverd door derden via Xometry's netwerk. Klanten die offertes aanvragen zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke eisen. Raadpleeg onze voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors-afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep begrip ontwikkelde van engineeringprocessen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements