Materiaalextfusie in 3D-printen: Definitie, geschiedenis, toepassingen en workflow

In de context van 3D-printen is extrusie het proces waarbij een half-gevloeide slurry of pasta door een opening of dieet wordt geperst om een cilindrische (of andere) vormlijnen van het materiaal te maken. Het hardent of cureert daarna uit, waardoor een nieuwe laag geëxtrudeerd materiaal erbovenop gelegd kan worden. Zowel fused deposition modeling (FDM) als fused filament fabrication (FFF) printen met deze techniek.

Hoewel S. Scott Crump's eerste versie van het FDM-proces een lijmpistool gebruikte, is de technologie verfijnd om veel meer precies en flexibel te worden. Materiaalextfusie kan een breed scala aan materialen aanwenden zoals polymere filamenten, polymere granulaten, wasfilamenten en granulaten, keramische slurries, en polymere gebonden metaalpoederfilamenten.

Dit artikel zal het proces, de geschiedenis en de toepassingen van materiaalextfusie definiëren en bespreken zoals het betrekking heeft op 3D-printen.

Wat is Materiaalextfusie in 3D-printen?

In het rijk van 3D-printen betekent het extrusieproces het duwen van bind-klaar materiaal door een verwarmde uitstootmond om het in opeenvolgende lagen neer te leggen. Elke laag is effectief een 2D "snede" van het 3D-object. Meeste printers verwarmen of een polymere of was tot een gel-achtige toestand om het materiaal printbaar te maken. Die materialen kunnen gemodificeerd worden met additieven die hen wenselijke eigenschappen geven in ofwel de gegelde toestand (bijv. viscositeitscontrollers) of de vaste toestand.

Voor meer informatie, zie onze gids over wat je moet weten over 3D-printers.

Welke materialen worden gebruikt in Materiaalextfusie?

Materiaalextfusiemachines kunnen ontworpen worden om het volgende te printen:

1. Polymeren zoals PLA, ABS, ASL en nylon zijn gangbaar en ontvangen een breed scala aan additieven. Sommige anderen zijn technisch wassen, maar ze functioneren min of meer hetzelfde als polymeren.
2. Keramieken worden 3D-geprint om (doorgaans artistieke) potten te vormen. De uitstootmonden voor dit doel zijn 10-50 keer de grootte van plastic extruders.
3. Beton en diverse bouwmaterialen hebben recentelijk aandacht gekregen als 3D-printopties. Het idee is om gehele gebouwen te printen, en het proces verschilt van FDM voornamelijk in schaal.

Waar wordt Materiaalextfusie gebruikt?

Materiaalextfusie wordt primair gebruikt in FDM-prototyping. Deze additieve productiemethode is meer populair dan andere voor dit doel omdat het de goedkoopste, meest toegankelijke optie is. FDM-prototypes worden in diverse industrieën gebruikt, inclusief marketing en productontwikkeling. De onderdelen worden snel geproduceerd en zijn doorgaans functioneel genoeg voor ontwikkelaars om features te testen (zolang ze niet kleiner zijn dan 1-2 mm). De prototypes zijn geen high-performance stukken, welteverstaan.

Wanneer kwam de eerste Materiaalextfusie-technologie voort?

De materiaalextfusietechnologie werd voor het eerst voorspeld door een science-fiction auteur, Murray Leinster in zijn korte verhaal 'Things Pass By' uit 1945. Het echte proces nam echter praktische vorm aan in de late jaren '80 en gecommercialiseerd door Stratasys. Dit werd de ruggengraat van de 3D-printsector.

Wat is de geregistreerde naam voor Materiaalextfusie?

Stratasys registreerde materiaalextfusie onder de naam "fusion deposition modeling," of FDM. Hoewel de octrooien verlopen zijn, hebben ze nog steeds rechten op de naam, hoewel Stratasys niet lijkt het nauw te handhaven. Veel andere fabrikanten noemen hun proces "fused filament fabrication" (FFF) zelfs al is de FDM-naam wijd begrepen.

Wat is het Materiaalextfusie-proces?

Materiaalextfusie in het 3D-printrijk omvat het forceren van polymere of was voedselstof door een temperatuur-gecontroleerde uitstootmond. Dit verzacht het materiaal tot een viskeuze vloeistof of nabij-vloeistof toestand zodat het toegepast kan worden op een bouwtafel of bestaand geprint modellag. Elke laag is effectief twee-dimensionaal, maar ze combineren om een 3D-constructie te creëren.

De polymere (of was) wordt in de uitstootmond verhit tot het een gegelde toestand bereikt. Het materiaal moet voldoende gesmolten zijn om te buigen en te binden met omringende (koelere) materialen, maar niet zo vloeibaar dat het wegstroomt van het toepassingspunt. Het geëxtrudeerde materiaal koelt dan snel af en solidifieert zodat de volgende laag erbovenop toegepast kan worden.

Voordelen van Materiaalextfusie

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

1. Polymeren kunnen bij lage temperaturen geprint worden, dus de printapparatuur is simpel en goedkoop.
2. Zeer weinig procesonderhoud is nodig. Eenmaal machine-instellingen geoptimaliseerd, kan een printer onbezaaid heel lange periodes draaien.
3. Extrudeerbare materialen zijn onder de goedkoopste in de 3D-printsector. Ze zijn beschikbaar bij een breed scala aan concurrerende leveranciers.
4. Modellen kunnen voldoende cosmetische en mechanische standaarden bereiken om nuttig te zijn in een breed scala aan toepassingen.
5. FDM/FFF-printers zijn goedkoper en opereren met lagere overheadkosten dan andere 3D-printers. Dit geeft ze de laagste prijslabels van elk 3D-printsysteem.

Nadelen van Materiaalextfusie

De nadelen van materiaalextfusie zijn:

1. Onderdelen geprint met materiaalextfusie kunnen zo weinig als 20% van de typische sterkte van het materiaal vertonen. De modellen neigen ertoe intrinsiek zwak te zijn.
2. De cosmetische afwerking laat vaak te wensen over. FDM kan niet in hoge resolutie printen in de X-Y-richting noch de Z-as. Duurdere apparatuur is beter dan goedkopere systemen. Het proces is echter het beste geschikt voor relatief grove modellen die fijne details missen en geen nauwkeurige oppervlakteafwerkingen nodig hebben.
3. Omdat het materiaal heet is wanneer het toegepast wordt, behouden veel modellen interne spanningen die ze vervormen naarmate ze afkoelen. De duurdere printers hebben verwarmde bouwkamers die dit effect kunnen helpen reduceren.
4. Intra-laag binding is vrij slecht in sommige materialen. Dit resulteert in ernstig anisotrope eigenschappen. Sommige materialen binden beter dan andere, maar er zijn altijd trade-offs in hun eigenschappen.

Wat is het verschil tussen Material Jetting en Materiaalextfusie?

Material jetting en materiaalextfusie verschillen in diverse opzichten:

1. Proces: Extrusie past gedeeltelijk gesmolten materiaal in lijnen en stippen toe. Het heeft een minimum puntresolutie van tussen 0,5 mm en 1 mm in diameter (afhankelijk van de printer en specifieke plastic of was). Material Jetting processen zijn een orde van grootte preciezer, met het toepassen van vloeibare harsen met een stipgrootte vaak kleiner dan 0,05 mm.
2. Laagconstructie: Extrusie-gebaseerde systemen gebruiken een enkele applicatoruitstootmond (op elk gegeven moment) om een model te bouwen, wat de bouwsnelheid beperkt. Material jetting processen gebruiken inkjet-printkoppen tot 100 mm breed om 'brede strepen' van een laag in een enkele tabelpas te 'tekenen'. Deze additionele breedte maakt de constructie van elke laag aanzienlijk sneller.
3. Z-laag opbouw: Extrusie-gebaseerde systemen hebben het voordeel van het bouwen van relatief dikke lagen. Deze zijn zelden dunner dan 0,1 mm en kunnen vaak zo dik als 0,5 mm zijn. Material Jetting laagdiktes zijn doorgaans 16 µm tot 50 µm. Dit betekent dat meer lagen nodig zijn om de Z-hoogte op te bouwen, wat builds doorgaans langzamer maakt overall, ondanks het feit dat elke laag snel print.
4. Kosten van apparatuur: Extrusie-gebaseerde FDM/FFF-technologie is simpel, wat de machines onder de goedkoopste van alle 3D-printers maakt. Material Jetting is delicaat en complex, dus de apparatuur is doorgaans 1-2 ordes van grootte duurder dan FDM/FFF.

Samenvatting

Dit artikel bekeek het concept van materiaalextfusie zoals het van toepassing is op 3D-printtechnologie. Voor meer informatie over materiaalextfusie en om te bepalen of het de juiste technologie is voor je toepassing, neem contact op met een Xometry-vertegenwoordiger.

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