Beheersing van de oppervlakteafwerking van 3D-printen:essentiële technieken voor superieure onderdeelkwaliteit

Laten we eerst beginnen met een inleiding tot het concept van 3D-printoppervlakteafwerking. Simpel gezegd is het een kwalitatieve maatstaf voor hoe ruw het oppervlak van een onderdeel is na het printen. Een zeer glad oppervlak wordt als ‘fijn’ beschouwd, terwijl een ruw oppervlak een ‘slechte’ oppervlakteafwerking heeft.

Het is een cruciale stap in elk productieproces, omdat er voor vrijwel elk product strikte eisen aan de oppervlaktekwaliteit gelden. Een vel papier voldoet bijvoorbeeld niet aan zijn doel als het te grof is om op te schrijven en het niet goed zal presteren op de markt.

Het bereiken van de gewenste oppervlakteafwerking is dus een topprioriteit voor 3D-printfabrikanten. Vaak is dit een nabewerking waarbij talloze technieken betrokken zijn, die binnenkort besproken zullen worden.

Bovendien vormt het afwerken van 3D-geprinte onderdelen een unieke uitdaging vanwege de inherente kwaliteiten van additieve productieprocessen. Omdat onderdelen laag voor laag worden opgebouwd, bestaat hun oppervlak uit een zich herhalend patroon van richels en valleien die moeten worden afgevlakt met respect voor de integriteit van het onderdeel.

Er zijn verschillende redenen om specifieke doelen te stellen voor de oppervlakteafwerking van 3D-printen. Deze redenen kunnen zowel oppervlakkig als functioneel zijn. Hieronder vindt u een samengevatte lijst met verschillende van dergelijke redenen.

1. Esthetiek

Een goede oppervlakteafwerking draagt bij aan de esthetische waarde van het onderdeel. Dit omvat uiterlijke elementen zoals kleur, textuur en robuustheid (glanzend/mat).

2. Mechanische en chemische eigenschappen

Oppervlakteafwerkingsmethoden kunnen de prestaties van 3D-geprinte onderdelen verbeteren. Metalen onderdelen kunnen bijvoorbeeld worden gecoat om ze corrosiebestendig en elektrisch geleidend te maken. Sommige methoden zorgen voor weerstand tegen hoge temperaturen en slijtage voor onderdelen die bedoeld zijn voor zware en veeleisende toepassingen.

3. Functionaliteit

Bepaalde toepassingen vereisen een specifieke oppervlakteafwerking om goed te kunnen werken. Een perspassing is bijvoorbeeld sterk afhankelijk van de oppervlaktekwaliteit van op elkaar aansluitende onderdelen. In andere gevallen kan dus de voorkeur worden gegeven aan een ruw oppervlak om het oppervlak voor een effectieve warmteoverdracht te verbeteren.

4. Productietolerantie

Oppervlaktebehandelingen worden vrij vaak gebruikt bij het afwerken van 3D-printen om een onderdeel binnen de dimensionale tolerantiegrenzen te brengen. Hiervoor kan dus extra materiaal worden verwijderd of meer materiaal worden toegevoegd.

3D-printen is een complex proces met veel factoren en bewegende delen. Elk van deze factoren beïnvloedt de oppervlakteafwerking van het 3D-printen op een andere manier. Een ingenieur moet hier een goed inzicht in hebben om te weten wat hij moet aanpassen om de gewenste 3D-printafwerking te krijgen.

1. 3D-printproces

De oppervlakteafwerking van 3D-printen varieert drastisch tussen verschillende 3D-printtechnieken. FDM is bijvoorbeeld gevoelig voor problemen als een lage oppervlakteresolutie en kromtrekken vanwege het laag-voor-laag depositieproces. Op poeder gebaseerde methoden zoals SLS 3D-printen produceren begrijpelijkerwijs een korrelige oppervlakteafwerking omdat de onderdelen zijn gemaakt van poederdeeltjes.

2. 3D-printerparameters

3D-printparameters spelen een belangrijke rol bij de uiteindelijke oppervlakteafwerking. Hoe lager de laagdikte (of resolutie), hoe gladder het oppervlak er bijvoorbeeld uitziet. De printsnelheid, het uithardingsproces en de infill zijn ook belangrijke factoren die bijdragen aan de oppervlaktekwaliteit.

3. 3D-printmateriaal

3D-printmaterialen hebben verschillende eigenschappen en zijn compatibel met verschillende methoden. Variaties in de oppervlakteafwerking kunnen ook te wijten zijn aan materiaalbeperkingen en eigenschappen.

4. 3D-printerkwaliteit

De constructie en staat van 3D-printers hebben ook invloed op de oppervlakteafwerking. Goedkope printers kunnen geen onderdelen met een hoge oppervlaktekwaliteit produceren. Op dezelfde manier verliest een oude, slecht onderhouden 3D-printer na verloop van tijd zijn nauwkeurigheid. Factoren die hieraan bijdragen zijn onder meer de staat van de rails en motoren van de 3D-printer, uitlijning van frame/basis, controllermogelijkheden, staat van de stroombron, enz.

In het onderstaande diagram worden de mogelijkheden voor 3D-printoppervlakteafwerking van het populaire 3D-printproces vergeleken.

3D-printprocesOppervlakruwheid (Ra)FDM/FFF10SLD/DLP3SLS13PBF15

We hebben verschillende aspecten van de oppervlakteafwerking van 3D-printen grondig besproken. Nu gaan we verder met de talrijke methoden die ingenieurs gebruiken voor het afwerken van 3D-geprinte onderdelen.

Deze technieken variëren aanzienlijk in termen van effectiviteit, kosten, vaardigheidsvereisten en algemene methodologie. We bespreken hieronder enkele van de belangrijkste van deze opties.

1. Schuren

Schuren is de meest gebruikelijke methode voor het afwerken van 3D-prints. Het is een eenvoudig proces waarbij ruw, schurend schuurpapier tegen het oppervlak van het onderdeel wordt gewreven om het glad te maken. Onvolmaakte kenmerken op het oppervlak, zoals uitsteeksels en scherpe hoeken, breken tijdens dit proces af of worden afgeplat door wrijving.

Het is een zeer handige techniek omdat deze zeer intuïtief, goedkoop, effectief is en op de meeste materialen werkt. Schuurpapier is er in verschillende kwaliteiten die verschillen in korrelgrootte. Grove soorten hebben grotere korrels en verwijderen meer materiaal, maar laten tegelijkertijd een ruwer oppervlak achter.

Meestal begint het schuurproces met grove korrels en gaat het geleidelijk over naar fijnere korrels naarmate het oppervlak gladder wordt.

Men moet echter voorzichtig zijn met schuren, omdat het vrij gemakkelijk is om extra materiaal te verwijderen en het onderdeel kapot te maken. Daarom is het ook een tijdrovend proces en mogelijk niet geschikt voor werk met een hoge productiviteit.

De uiteindelijke afwerking van het 3D-printoppervlak is niet glanzend glad. Het heeft eerder een matte afwerking. Om de oppervlaktekwaliteit verder te verbeteren, kan men gebruik maken van polijstdoeken, extra fijn schuurpapier of verven/coaten.

2. Bewerken/slijpen

Hoewel 3D-printen en CNC-bewerkingen vaak worden gepresenteerd als tegengestelde productietechnologieën, die het tegen elkaar opnemen vanwege dominantie in de industrie, zijn er verschillende mogelijkheden waarop ze elkaar aanvullen. Eén van deze hybride toepassingen is het afwerken van 3D-printonderdelen.

Veel 3D-printmethoden zijn niet in staat de fijne oppervlakteafwerking te bereiken van subtractieve processen zoals machinaal bewerken en slijpen.

Een nabewerkingscyclus van verspanen/slijpen is dus heel gebruikelijk na 3D-printen. Het is zeer effectief bij het handhaven van nauwe toleranties en uitzonderlijk gladde oppervlakken. Bovendien is machinaal bewerken een veelzijdig gereedschap dat handig is op moeilijk bereikbare plaatsen, zoals gaten in de binnenkant of gebogen delen.

Bovendien is het compatibel met de meeste 3D-printmaterialen, zowel op plastic als metaal.

3. Parelstralen

Parelstralen is een andere populaire schurende 3D-printafwerkingstechniek. Zoals de naam al doet vermoeden, gaat het om het stralen van kleine plastic of glasparels op het ruwe oppervlak. Door de impact worden oneffenheden in het oppervlak afgevlakt.

Het is een snelle methode vergeleken met schuren. Bovendien kunnen de kralen ook op moeilijk bereikbare plaatsen worden gericht en interne oppervlakken gladder maken, die niet zo toegankelijk zijn met handschuurpapier.

Meestal begint het stralen met een lage druk om de slijtagesnelheid te beoordelen. Dit is nodig omdat extra druk extra materiaal kan verwijderen of het oppervlak kan beschadigen. Met de juiste visuele inspectie en ervaring kan de operator vervolgens de straaldruk verhogen om de oppervlakteafwerking van het 3D-printen te optimaliseren.

Daarnaast zijn er nog diverse andere vergelijkbare processen, zoals zandstralen, kogelstralen en waterstralen, met kleine onderlinge verschillen.

4. Beplating

Plateren (galvaniseren) is het proces waarbij elektrisch een dunne metalen laag op een plastic of metalen oppervlak wordt aangebracht. Het is een gangbare praktijk voor het afwerken van 3D-printonderdelen vanwege de brede voordelen en het gemak.

In de meeste gevallen verbetert het plateren verschillende materiaaleigenschappen van het onderdeel. Plastic 3D-geprinte onderdelen zijn begrijpelijkerwijs zwak en gevoelig voor breuk. Door ze te bekleden met een geschikt metaal, kunnen ze hun duurzaamheid en slijtvastheid vergroten en kunnen ze hogere temperaturen weerstaan.

Bovendien kan galvaniseren voor metalen onderdelen verschillende nuttige eigenschappen veroorzaken, zoals weerstand tegen corrosie en oxidatie, soldeerbaarheid en elektrische geleidbaarheid.

Afgezien van dergelijke functionele doeleinden, is beplating een geweldige manier om de esthetiek van een 3D-geprinte oppervlakteafwerking te verbeteren. Metaalcoatings zoals goud, zilver en chroom voegen een superieure esthetische aantrekkingskracht toe aan onderdelen.

5. Schilderen

Schilderen is een eenvoudig en goed begrepen proces. Het dient hetzelfde doel als op elke andere plaats:een betere uitstraling. Dit komt omdat gebruikers bij verf de mogelijkheid hebben om vrijwel elke kleur en uitstraling te kiezen.

Normaal gesproken wordt het schilderproces voorafgegaan door een laag primer en stopverf. Hierdoor wordt het oppervlak enigszins gladder door gaten en dalen enigszins op te vullen en wordt het oppervlak beter voorbereid op een laag (of lagen) verf.

Bovendien dient schilderen tot op zekere hoogte ook het praktische doel van afdichting. Hoewel het geen afdichtmiddel is, in de volle zin van het woord, kan het in een secundaire rol als zodanig fungeren. Omdat het probleem van porositeit veel voorkomt bij 3D-printen, is dit een gunstig effect.

Welke methode voor oppervlakteafwerking in 3D-printen is de beste?

Het hangt volledig af van de toepassing. Elke methode heeft namelijk zijn voor- en nadelen en is geschikt voor een specifieke klasse producten. Als uw enige zorg esthetiek is, is schilderen of coaten uw beste optie. Als uw product functionele behoeften heeft, zoals elektrische geleidbaarheid, kunt u een geschikt materiaal overwegen om te galvaniseren.

Heeft 3D-printen een betere afwerking dan CNC?

Over het algemeen neemt CNC-bewerking de voorsprong op 3D-printen in termen van oppervlakteruwheid. Met de juiste oppervlakteafwerkingstechnieken en de keuze van een printer/methode kan deze kloof echter aanzienlijk worden verkleind.