Materiaalextrusie bij 3D-printen:definitie, geschiedenis, toepassingen en workflow

In de context van 3D-printen is extrusie het proces waarbij een halfvloeibare slurry of pasta door een opening of matrijs wordt geperst om een cilindrische (of ander) gevormde lijn van het materiaal te maken. Vervolgens hardt het uit of hardt het uit, waardoor er een nieuwe laag geëxtrudeerd materiaal bovenop kan worden gelegd. Zowel Fused Deposition Modeling (FDM) als Fused Filament Fabrication (FFF) printen met deze techniek. 

Hoewel S. Scott Crumps eerste versie van het FDM-proces een lijmpistool gebruikte, is de technologie verfijnd om veel nauwkeuriger en flexibeler te worden. Bij materiaalextrusie kan een grote verscheidenheid aan materialen worden gebruikt, zoals polymeerfilamenten, polymeerpellets, wasfilamenten en -pellets, keramische slurries en polymeergebonden metaalpoederfilamenten.

In dit artikel worden het proces, de geschiedenis en de toepassingen van materiaalextrusie gedefinieerd en besproken in relatie tot 3D-printen.

Wat is materiaalextrusie bij 3D-printen?

Op het gebied van 3D-printen betekent het extrusieproces dat materiaal dat gereed is voor lijmen door een verwarmd mondstuk wordt geduwd om het in opeenvolgende lagen af te zetten. Elke laag is in feite een 2D-"deel" van het 3D-object. De meeste printers verwarmen een polymeer of was tot een gelachtige toestand om het materiaal bedrukbaar te maken. Deze materialen kunnen worden gemodificeerd met additieven die hen gewenste eigenschappen geven in de gegeleerde toestand (d.w.z. viscositeitregelaars) of in de vaste toestand.  

Raadpleeg onze gids over wat u moet weten over 3D-printers voor meer informatie.

Welke materialen worden gebruikt bij materiaalextrusie?

Materiaalextrusiemachines kunnen worden ontworpen om het volgende te printen:

1. Polymeren zoals PLA, ABS, ASL en nylon zijn gebruikelijk en krijgen een breed scala aan additieven. Sommige anderen zijn technisch gezien wassen, maar ze functioneren vrijwel hetzelfde als polymeren.
2. Keramiek wordt 3D-geprint om (meestal artistiek) aardewerk te vormen. De spuitmonden voor dit doel zijn 10-50 keer zo groot als plastic extruders.
3. Beton en diverse bouwmaterialen hebben de laatste tijd veel aandacht gekregen als 3D-printopties. Het idee is om hele gebouwen te printen, en het proces verschilt vooral van FDM alleen qua schaal.

Waar wordt materiaalextrusie gebruikt?

Materiaalextrusie wordt voornamelijk gebruikt bij FDM-prototyping. Deze additieve productiemethode is voor dit doel populairder dan andere omdat het de goedkoopste en meest toegankelijke optie is. FDM-prototypes worden in verschillende industrieën gebruikt, waaronder marketing en productontwikkeling. De onderdelen worden snel geproduceerd en zijn meestal functioneel genoeg voor ontwikkelaars om functies te testen (zolang ze niet kleiner zijn dan 1-2 mm). De prototypes zijn echter geen hoogwaardige stukken.

Wanneer ontstond de eerste materiaalextrusietechnologie?

De materiaalextrusietechnologie werd voor het eerst voorspeld door een sciencefictionauteur, Murray Leinster, in zijn korte verhaal ‘Things Pass By’ uit 1945. Het echte proces kreeg echter eind jaren tachtig praktische vorm en werd gecommercialiseerd door Stratasys. Dit werd de ruggengraat van de 3D-printsector.

Wat is de geregistreerde naam voor materiaalextrusie?

Stratasys registreerde materiaalextrusie onder de naam ‘fusion deposition modeling’ of FDM. Hoewel de patenten zijn verlopen, hebben ze nog steeds rechten op de naam, hoewel Stratasys er niet nauwlettend toezicht op lijkt te houden. Veel andere fabrikanten noemen hun proces ‘fused filament fabrication’ (FFF), ook al wordt de naam FDM breder begrepen. 

Wat is het materiaalextrusieproces?

Materiaalextrusie in de wereld van 3D-printen houdt in dat polymeer- of wasgrondstoffen door een temperatuurgecontroleerd mondstuk worden geperst. Hierdoor wordt het materiaal zachter tot een stroperige, vloeibare of bijna vloeibare toestand, zodat het kan worden aangebracht op een bouwtafel of op een bestaande gedrukte modellaag. Elke laag is in feite tweedimensionaal, maar samen vormen ze een 3D-constructie.

Het polymeer (of de was) wordt in het mondstuk verwarmd totdat het een gegeleerde toestand bereikt. Het materiaal moet voldoende gesmolten zijn om te kunnen buigen en binden met omringende (koelere) materialen, maar niet zo vloeibaar dat het wegvloeit van het aanbrengpunt. Het geëxtrudeerde materiaal koelt vervolgens snel af en stolt zodat er een volgende laag overheen kan worden aangebracht.

Wat zijn de voordelen van materiaalextrusie?

Materiaalextrusie, zoals van toepassing op FDM/FFF 3D-printen, biedt verschillende voordelen:

1. Polymeren kunnen bij lage temperaturen worden bedrukt, dus de printapparatuur is eenvoudig en goedkoop. 
2. Er is zeer weinig procesonderhoud nodig. Zodra de machine-instellingen zijn geoptimaliseerd, kan een printer gedurende zeer lange perioden zonder toezicht draaien.
3. Extrudeerbare materialen behoren tot de goedkoopste in de 3D-printsector. Ze zijn verkrijgbaar bij een groot aantal concurrerende leveranciers.
4. Modellen kunnen voldoende cosmetische en mechanische normen bereiken om bruikbaar te zijn in een breed scala aan toepassingen.
5. FDM/FFF-printers zijn goedkoper en werken met lagere overheadkosten dan andere 3D-printers. Hierdoor hebben ze de laagste prijs van elk 3D-printsysteem.

Wat zijn de nadelen van materiaalextrusie?

De nadelen van materiaalextrusie zijn:

1. Onderdelen die zijn geprint met behulp van materiaalextrusie kunnen slechts 20% van de typische sterkte van het materiaal vertonen. De modellen zijn vaak intrinsiek zwak.
2. De cosmetische afwerking laat vaak te wensen over. FDM kan niet met hoge resolutie afdrukken, noch in de X-Y-richting, noch in de Z-as. Duurdere apparatuur is beter dan goedkopere systemen. Het proces is echter het meest geschikt voor relatief grove modellen waarbij fijne details ontbreken en geen nauwkeurige oppervlakteafwerkingen nodig zijn. 
3. Omdat het materiaal heet is wanneer het wordt aangebracht, behouden veel modellen interne spanningen waardoor ze vervormen als ze afkoelen. De duurdere printers hebben verwarmde bouwkamers die dit effect kunnen helpen verminderen.
4. In sommige materialen is de hechting tussen de lagen vrij slecht. Dit resulteert in ernstig anisotrope eigenschappen. Sommige materialen hechten beter dan andere, maar er zijn altijd compromissen in hun eigenschappen. 

Wat is het verschil tussen materiaaljetting en materiaalextrusie?

Materiaaljetting en materiaalextrusie verschillen op verschillende manieren:

1. Proces: Bij extrusie wordt gedeeltelijk gesmolten materiaal aangebracht in lijnen en punten. Het heeft een minimale puntresolutie tussen 0,5 mm en 1 mm in diameter (afhankelijk van de printer en specifiek plastic of was). Material Jetting-processen zijn een orde van grootte nauwkeuriger, waarbij vloeibare harsen worden toegepast met een puntgrootte die vaak kleiner is dan 0,05 mm.
2. Laagconstructie: Op extrusie gebaseerde systemen gebruiken (op elk willekeurig moment) één applicatormondstuk om een model te bouwen, wat de bouwsnelheid beperkt. Material jetting-processen maken gebruik van inkjetprintkoppen tot 100 mm breed om brede strepen van een laag in één tafelpassage te ‘tekenen’. Deze extra breedte zorgt ervoor dat elke laag aanzienlijk sneller wordt opgebouwd.
3. Z-Layer-builds: Op extrusie gebaseerde systemen hebben het voordeel dat ze relatief dikke lagen opbouwen. Deze zijn zelden dunner dan 0,1 mm en kunnen vaak wel 0,5 mm dik zijn. Materiaal Jettinglaagdiktes zijn doorgaans 16 µm tot 50 µm. Dit betekent dat er meer lagen nodig zijn om de Z-hoogte op te bouwen, waardoor het bouwen over het algemeen langzamer gaat, ondanks het feit dat elke laag snel wordt afgedrukt.
4. Uitrustingskosten: Op extrusie gebaseerde FDM/FFF-technologie is eenvoudig, waardoor de machines tot de goedkoopste van alle 3D-printers behoren. Material Jetting is delicaat en complex, dus de apparatuur is over het algemeen 1-2 ordes van grootte duurder dan FDM/FFF.

Samenvatting

In dit artikel wordt het concept van materiaalextrusie besproken zoals dit van toepassing is op 3D-printtechnologie. Neem contact op met een vertegenwoordiger van Xometry voor meer informatie over materiaalextrusie en om te bepalen of dit de juiste technologie is voor uw toepassing.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en 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.