3D-printen versus compressiegieten:een professionele beslissingsgids

Bent u bekend met additieve en subtractieve productieconcepten? Bij subtractief worden materialen verwijderd om de gewenste vorm te bereiken, terwijl bij additief de vorm uit materiaallagen wordt opgebouwd. Hier zijn 3D-printen en compressiegieten twee additieve productiemethoden. Er zijn echter verschillende fundamentele verschillen tussen 3D-printen en compressiegieten.

Het verschil zit hem vooral in de productiesnelheid, efficiëntie, ontwerpflexibiliteit, precisie en toepassingen. Bovendien zullen we in dit artikel de nuances van deze twee methoden onderzoeken met hun vergelijking.

Wat is 3D-printen?

Het is een additieve productietechnologie die precieze en ingewikkelde functionele onderdelen of producten creëert door opeenvolgende lagen materiaal te stapelen en samen te smelten. Een 3D-printer gebruikt dus geen blok materiaal om de vorm te manipuleren. In plaats daarvan deponeert het mondstuk materiaal laag voor laag van onder naar boven in het printbed, volgens het plakpatroon van het geüploade ontwerp.

Ondertussen verwijst het plakpatroon naar de individuele horizontale lagen waarin een CAD-model is verdeeld. Elk segment vertegenwoordigt een dwarsdoorsnede van het model dat de printer volgt om de materiaallaag aan te brengen.

Bovendien heeft u mogelijk verduidelijking nodig met verschillende 3D-printtechnologieën. Ze volgen hetzelfde fundamentele principe. Ze hebben echter verschillen in hun werkingsmechanisme, materiaalcompatibiliteit en printmogelijkheden. Dit zijn de meest voorkomende soorten 3D-printtechnologieën.

Typ Materialen Beschrijving/Werking Voordelen Nadelen FDM (Fused Deposition Modeling) Thermoplastische materialen (ABS, PLA, Nylon) Het smelt en extrudeert de materiaalfilamentlaag laag voor laag om de uiteindelijke vorm te bereiken. Structurele stabiliteit, lage kosten, verschillende materialen Ruwe afwerking en gematigde precisie SLA (stereolithografie) Fotopolymeerhars SLA maakt gebruik van een ultraviolette laser om fotopolymeerhars in een tank uit te harden, waardoor lagen ontstaan. Hoge precisie, gladde afwerkingen en creëert gedetailleerde modellen en prototypes. Beperkte materiaalkeuze SLS (Selectief lasersinteren) Polymeerpoeder (Nylon PA 12, glasgevuld nylon Een laserstraal sintert materiaalpoeder in een kamer, vaak met inert gas om oxidatie te voorkomen. Complexe geometrieën mogelijk Langere doorlooptijden en ruwe oppervlaktetextuur DMLS (Direct Metal Laser Sintering) Metaalpoeder (verschillende legeringen, aluminium, koper, nikkel) DMLA smelt metaalpoederdeeltjes laag voor laag met een laser. Drukt ingewikkelde en sterke metalen onderdelen af. Hoge kosten en beperkte materiaalkeuzes.

Voordelen van 3D-printen

3D-printproductie is voordelig voor verschillende toepassingen. Het biedt ontwerpflexibiliteit, snellere doorlooptijden, maatwerk, enz. Hier volgt een uitwerking van de typische voordelen van 3D-printen;

Ontwerpflexibiliteit en complexiteit

Als we de mogelijke complexiteiten van het ontwerp met compressiegieten en 3D-printen zien, creëert een 3D-printer zeer complexe geometrieën en contouren. Het biedt ook meer complexiteit dan conventionele methoden zoals cnc-draaibankbewerking of spuitgieten. Het beperkt ingewikkelde holle secties, ondersnijdingen en interne roosters niet zoals subtractieve productie dat doet.

Bovendien komen de ontwerpers rechtstreeks ten goede aan de mogelijkheden van de complexe vormen. Ze kunnen meer innovatieve en ingewikkelde ontwerpen maken om productiebehoeften op te lossen. Bovendien hoeven ontwerpers bij het maken van 3D-printontwerpen geen rekening te houden met diepgangshoeken, gereedschapstoegang, dikte-uniformiteit, grote assemblage en andere beperkingen. Het resulteert dus in ultieme ontwerpflexibiliteit.

Snelle prototypering

De productiesnelheid, goede precisie en kosteneffectiviteit maken 3D-printen een betrouwbare optie voor rapid prototyping-projecten. De tijd kan voor een onderdeel enkele minuten tot enkele uren duren, afhankelijk van de complexiteit en de 3D-geprinte materialen. Bovendien zijn de kosten lager bij het maken van prototypen voor 3D-printen, omdat er geen gereedschapskosten vooraf zijn en het ontwerp eenvoudig kan worden gewijzigd.  

U kunt bijvoorbeeld snel een nieuw drone-ontwerp prototypen en testen met de nodige aanpassingen tijdens de vlucht via 3D-printiteraties. Tegelijkertijd kan het bij andere methoden maanden duren.

Aanpassing en personalisatie

De 3D-printprocessen omvatten directe productie vanuit digitale bestanden en kunnen complexe ontwerpen aan. Als gevolg hiervan maakt 3D-printen aangepaste onderdelen en producten mogelijk volgens specifieke behoeften. Als u een ontwerp op maat heeft (3D-model), kunt u dit met geschikte materialen en printapparatuur in de fysieke werkelijkheid omzetten.

Dit maatwerk levert grote voordelen op voor medische toepassingen. Met 3D-printen kunnen bijvoorbeeld op maat gemaakte implantaten voor patiënten worden vervaardigd.

Kosteneffectiviteit voor productie in kleine batches

De belangrijkste reden achter de lage kosten van 3D-geprinte onderdelen bij de productie van kleine batches is dat er geen dure productieopstellingen zoals mallen of gereedschappen voor nodig zijn. Ondertussen vereisen andere benaderingen, zoals spuitgieten, zware investeringen vooraf in matrijzen, wat leidt tot hogere gietstukken per onderdeel voor productie in kleine batches of in kleine volumes.

Voor de productie van kleine batches voor nylononderdelen is bijvoorbeeld eerst een aluminium spuitgietmatrijs nodig die minstens $ 10.000 kost, terwijl dergelijke kosten niet gelden voor 3D-printen.

Beperkingen van 3D-printen

Hoewel 3D-printen veel voordelen heeft, kent het enkele beperkingen, zoals materiaalkeuze, formaat, precisie en oppervlakteafwerking. Laten we elk nadeel afzonderlijk bespreken.

Materiële beperkingen

De materiaalkeuze is bij 3D-printen kleiner dan bij andere processen zoals CNC-bewerking. In feite heeft het zelfs nog minder opties in de context van 3D-printen versus compressiegieten. De 3D-printmachines zijn doorgaans compatibel met kunststoffen (ABS, PETG en TPU), fotopolymeren en sommige thermohardende materialen en metalen (staal, titanium en aluminium).

Door 3D-printen zijn de materiële mogelijkheden echter snel uitgebreid tot buiten de standaard thermoplastische materialen. Steeds meer materialen worden compatibel dankzij materiaalwetenschappelijke innovaties en nieuwe 3D-printtechnologieën.

Lagere sterkte en duurzaamheid

Terwijl 3D-printers het ontwerp omzetten door materiaallagen toe te voegen, brengt het laatste onderdeel de mechanische sterkte in gevaar. FDM-onderdelen delamineren bijvoorbeeld of presteren slecht onder spanning in bepaalde oriëntaties (normaal Z-as). Bovendien kunnen onderdelen hun oorspronkelijke eigenschappen, zoals hardheid of vermoeiingssterkte, verliezen. Om deze redenen worden de onderdelen ook minder duurzaam.

Oppervlakafwerking en precisie

De onderdelen van het 3D-printen laten zichtbare laagsporen en af en toe wat resten van steunmateriaal achter. Het vereist dus nabewerking, zoals zandstralen, ontbramen of zelfs machinaal bewerken. De Ra-waarde voor 3D-geprinte onderdelen kan zo laag zijn als 4 µm (ongeveer).

Vervolgens is het ook minder nauwkeurig dan andere populaire productietechnologieën. 3D-printen biedt doorgaans een nauwkeurigheid van ±0,2 mm, terwijl CNC ±0,005 mm en ~±0,025 mm kan bereiken voor door compressie gegoten rubberen onderdelen.

Groottebeperkingen

3D-printen heeft beperkingen in de grootte van de onderdelen in vergelijking met andere processen zoals spuitgieten of lasersnijden. De groottemogelijkheden worden beperkt door het bouwvolume en de bedgrootte (printkamer) van de 3D-printermachines. Door 3D-printen kunnen bijvoorbeeld lange windturbinebladen worden gemaakt vanwege beperkingen in de afmetingen. Grote onderdelen zijn echter mogelijk door de kleine individuele 3D-geprinte fragmenten samen te stellen.

Wat is compressiegieten?

Het is een gespecialiseerd polymeervormproces dat de gewenste vorm creëert door het materiaal in een gesloten mal te comprimeren. Deze productiemethode is populair voor thermohardende composieten met superieure eigenschappen.

Het compressiegietproces vereist een compressiematrijs met meerdere holtes die de negatieve geometrie van de gewenste vorm exact bepaalt. Ondertussen bestaat de mal uit twee helften (vaste onderste en beweegbare bovenste helften). Eerst wordt een vooraf berekende hoeveelheid materiaal in de verwarmde vormholte geplaatst, gevolgd door het verwarmen en samendrukken van de vorm. Hier zorgen compressie en verwarming van de mal ervoor dat het materiaal door de holte stroomt en deze vult.

Het instellen van de juiste druk, temperatuur en uithardingstijd is echter essentieel tijdens het comprimeren. Vervolgens onthult de matrijsopening na afkoeling het gestolde deel.

Voordelen van compressiegieten

Hieronder volgen de algemeen erkende voordelen van compressiegieten voor verschillende productietoepassingen.

Hoge volumeproductie-efficiëntie

Het productievolume is het meest waardevolle voordeel, vooral als je compressiegieten en 3D-printen vergelijkt. Zodra u de mal hebt gemaakt, kunt u deze hergebruiken om identieke onderdelen in grote volumes te vervaardigen, tot wel enkele duizenden cycli. De levensduur van een mal hangt echter af van het malmateriaal, de schurende werking van de lading en andere factoren.

Deze productie-efficiëntie bij grote volumes verlaagt de kosten per onderdeel op de lange termijn aanzienlijk. Aan de andere kant is er geen kostenreductie per onderdeel bij massaproductie van 3D-printen.  

Uitstekende onderdeelsterkte en duurzaamheid

In plaats van een laag-voor-laag-structuur omvatten gegoten onderdelen compacte en samengedrukte structurele vormen. Compressiegieten biedt dus een uitstekende onderdeelsterkte. Bijgevolg is er een lage kans op holtevorming, wat bijdraagt aan de uitstekende structurele integriteit van onderdelen.

Volgens gerelateerd onderzoek waren de sterkte, hardheid, treksterkte en elasticiteit van door compressie gevormde monsters tijdens het testen hoger dan die van 3D-geprinte onderdelen.

Goede oppervlakteafwerking

Bij deze vormmethode worden onderdelen met een goede oppervlakteafwerking gevormd. Dit komt omdat de compressie het materiaal nauw aanpast aan de matrijsoppervlakken. Sluit nauw aan bij de matrijsoppervlakken. Het kan Ra-waarden bereiken vanaf 0,1 micrometer (μm) met hooggepolijste mallen en optimale verwerkingsomstandigheden. Ondertussen is de oppervlakteafwerking van de spouwmuur cruciaal voor de gladde afwerking van persgietcomponenten.

Geschiktheid voor grote onderdelen

De haalbare maat van onderdelen bij compressiegieten is afhankelijk van de matrijsgrootte. U kunt dus de grotere onderdelen maken door een geschikte mal te ontwerpen en tonnage met hoge compressie te gebruiken. Vliegtuigvleugelhuid is bijvoorbeeld mogelijk met CM.

Vervolgens vergemakkelijkt het vooraf plaatsen van het ladingsmateriaal in de mal, in plaats van het gebruik van injectiemethoden, het vormen van grote afmetingen. De reden hiervoor is dat compressie het mogelijk maakt dat het materiaal gelijkmatig over een grote vormholte wordt verdeeld, zonder de beperkingen die worden opgelegd door de stromings- en drukvereisten.

Beperkingen van compressiegieten

Hoewel compressiegieten talloze voordelen biedt, kent het beperkingen op het gebied van ontwerpflexibiliteit, gereedschapskosten, productietijd en strakke precisie. Als u deze beperking begrijpt, kunt u mogelijke defecten in de uiteindelijke gegoten onderdelen voorkomen en betere beslissingen nemen. Hier vindt u de beschrijving van elke beperking;

Beperkte ontwerpcomplexiteit

Compressiegieten verdient de voorkeur voor grote en relatief eenvoudige ontwerpen. Hier is de beperkte ontwerpflexibiliteit voornamelijk te wijten aan materiaalstroompatronen in ingewikkelde vormholten van compressiematrijzen. Als de ontwerpen complexe kenmerken hebben, zoals intense schuine hoeken en kleine details op de hoeken, slaagt de materiaalstroom er niet in om deze holtes nauwkeurig op te vullen.

Bovendien kan de beperking van de materiaalstroom ook perslucht vasthouden, waardoor holtevorming ontstaat. Aan de andere kant krijgen ontwerpers grote vrijheid met 3D-printen.

Hogere toolingkosten

Als we kijken naar de gereedschapskosten van 3D-printen versus compressiegieten, is het gereedschap voor matrijzen aanzienlijk hoog. Dit komt door de hoge initiële kosten van matrijzen en ander hulpgereedschap. Bovendien vereisen kleine wijzigingen in het ontwerp opnieuw aanzienlijke investeringen in matrijzen. Omgekeerd brengt 3D-printen niet zulke dure gereedschapskosten met zich mee.

Langere cyclustijden

Het compressiegietproces heeft over het algemeen een langere cyclus, zelfs bij compressiegieten versus spuitgieten. Het gaat om het voorverwarmen van de mal en de lading, het vooraf laden van de lading en een relatief langere uithardingstijd, die allemaal bijdragen aan de hogere productietijd. Vervolgens telt ook het proces van het verwijderen van bramen en bramen van het gevormde oppervlak na productie de tijd op.

Kwaliteits- en precisieproblemen

Ten slotte heeft het compressiegieten van kunststof moeite om een hoge nauwkeurigheid en kwaliteit te bereiken, net als andere geavanceerde productietechnieken. Dit is voorlopig vanwege de minder uniforme materiaalstroom dan andere vormmethoden. Vervolgens kunnen andere kwaliteitsproblemen krimp en kromtrekken zijn, aangezien alle thermohardende en thermoplastische materialen tot op zekere hoogte krimpen tijdens het afkoelen.

Wat de nauwkeurigheid betreft, varieert de tolerantie bij het persgieten doorgaans van ±0,127 tot ±0,508 mm. Hier varieert de tolerantie op basis van de oppervlaktekwaliteit van de vormholte, procesparameters en eigenschappen van het ladingsmateriaal.

Verschillen tussen 3D-printen en compressiegieten

Nadat we de voor- en nadelen van 3D-printen en compressiegieten hebben begrepen, gaan we deze processen op verschillende aspecten met elkaar vergelijken.

Materiaalselectie

Materiaalkeuze vormt de basis voor de uiteindelijke eigenschappen en functionaliteit van het uiteindelijke onderdeel, ongeacht de productiemethode. Het hebben van meer materiaalopties betekent dus meer kansen om het materiaal te krijgen dat precies aan uw vereisten voldoet.

Materiaalsoort 3D-printmaterialen Compressievormmaterialen Thermohardende kunststoffen Bijna nee, in zeer weinig gespecialiseerde scenario's Epoxy, fenol, polyester, vinylester, melamine Thermoplastische stoffen ABS, PLA, PETG, TPU, nylon, PEEK, PC Polyethyleen (PE), polypropyleen (PP), nylon (polyamide), polycarbonaat (PC), acetaal (POM) Composietmaterialen Koolstofvezelversterkt PLA, Glasvezelversterkt nylon, Met hout gevuld PLA, Met metaal gevuld PLA, Met Kevlar gevuld nylonGlasvezelversterkte kunststof (GFRP), koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP), Sheet Molding Compound (SMC), Bulk Molding Compound (BMC), vezelversterkte thermohardende metalenTitanium, aluminium, Inconel, koper, goud, zilverIn zeer weinig scenario's

Er zijn meer materiaalopties voor 3D-printen dan compressiegieten. U moet echter rekening houden met de kosten, uw vereisten, ontwerpspecificaties en het beoogde gebruik van de uiteindelijke onderdelen, terwijl u het materiaal vergelijkt dat compatibel is met beide methoden.

Kostenvergelijking voor verschillende productieschalen

De kosten van 3D-printen versus compressiegieten zijn sterk afhankelijk van het productievolume. De hoge matrijskosten bij compressievormen maken het minder duur naarmate het productievolume toeneemt. Ondertussen zorgt 3D-printen niet voor een significante verlaging van de productiekosten bij grootschalige productie.

Productieschaal 3D-printen Compressiegieten Prototyping Lage kosten (geen matrijzen vereist) Hoge kosten (matrijzen vereist) Kleine batch Matige kosten Hoge kosten als gevolg van initiële matrijsinvestering Gemiddeld volume Hoge kosten vanwege lagere productiesnelheid Matige kosten (afschrijving van matrijskosten) Hoog volume Hoge kosten Lage kosten

Vervolgens stijgen de kosten bij het compressiegieten met ingewikkelde details, omdat het een complexere mal vereist en de cyclustijd wordt verkort. Daarentegen stijgen de kosten mogelijk niet bij complexe 3D-printontwerpen. Omdat materiaalgebruik een groot deel van de totale kosten uitmaakt, kunnen de kosten worden verlaagd als complexe onderdelen minder materiaalvolume nodig hebben voor 3D-printen.

Snelheid en efficiëntie in de productie

3D-printen is een minder snel proces dan gieten, behalve bij de prototypingprojecten. Compressiegieten kost veel meer tijd bij het maken van prototypen vanwege het maken van mallen en de gereedschapsarrangementen. Persgietmachines gaan echter onmiddellijk voor de volgende cyclus nadat de matrijs is afgekoeld. De snelheid van het compressiegieten is dus slechts beperkt bij het maken van prototypes en de productie van kleine batches.

Vervolgens neemt de efficiëntie van 3D-printen af naarmate het productievolume toeneemt. Het is echter zeer efficiënt voor het produceren van complexe componenten zonder extra kosten. Aan de andere kant blinkt compressiegieten uit in schaalbaarheid. Het kan duizenden tot miljoenen consistente eenheden produceren tegen relatief lage kosten.

Kwaliteit en duurzaamheid van eindproducten

Eerst vergelijken we de kwaliteit van compressiegieten en 3D-printen.  De structurele kwaliteit van vormdelen is hoger dan die van 3D-geprinte. Het komt allemaal door hun vormingsproces. De laagopbouwende aanpak van een 3D-printer verlaagt de structurele sterkte van het onderdeel, terwijl druk tijdens het compressiegieten de onderdelen structureel intact maakt. Bijgevolg verschilt de afwerkingskwaliteit van het bedrukte oppervlak afhankelijk van de afdrukmethode. FDM-afdrukken vertonen bijvoorbeeld laaglijnen en moeten verder worden afgewerkt, en de SLA-methode produceert gladdere oppervlakken. Ondertussen zorgt compressiegieten voor een consistente en gladdere afwerking.

En welke zijn bovendien duurzamer? Het antwoord is door compressie gevormde exemplaren. Dit komt door de materiaaluniformiteit en de effecten van hitte en druk tijdens het uitharden. Aan de andere kant introduceren gelaagde structuren kwetsbaarheden in het 3D-printproduct.

Ontwerpflexibiliteit

Zoals eerder vermeld biedt 3D-printen meer ontwerpflexibiliteit dan de compressiegiettechniek. Het vervaardigen van matrijzen is op zichzelf een complex proces, waarbij de machinale bewerking vaak geen ondersteuning biedt voor de ontwerpen met ingewikkelde interne geometrieën. Ondertussen kent 3D-printen dergelijke beperkingen niet.

Hier is de lijst met functies die 3D-printen mogelijk maakt, maar niet via compressiegieten.

• Complexe ondersnijdingen
• Diepe en kleine zakken
• Onderdelen met zeer variabele wanddikte
• Ingewikkelde oppervlaktepatronen
• Scherpe randen, enz.

Geschiktheid voor verschillende industrieën en toepassingen

Omdat compressiegieten rubbers en elastomeren tot sterke en duurzame elastische onderdelen kunnen vormen, zijn afdichtingen en pakkingen de twee meest voorkomende toepassingen. Aan de andere kant is 3D-printen zeer geschikt voor prototyping en custom manufacturing.

Industrie/toepassing Voorbeelden van 3D-printen Voorbeelden van compressiegieten Lucht- en ruimtevaart Brandstofsproeiers voor straalmotoren, beugels voor satellietcomponenten, drone-onderdelen en diverse prototyping. Minder populair, cellen voor vliegtuigen Automobiel Koelkanalen, op maat gemaakte dashboardcomponenten, prototyping van lichaamsdelen en interieurcomponenten Pakkingen en afdichtingen, rubberen slangen en riemen, en trillingsdempende componenten. Gezondheidszorg Op maat gemaakte chirurgische modellen, tandkronen en bruggen, op maat gemaakte prothetische ledematen, enz. Componenten voor duurzame medische apparatuur, afdichtingen voor laboratorium containers, siliconen maskers en meer.ConsumentenproductenSmartphone-hoesjes, op maat gemaakt schoeisel, speelgoed en meer.Horlogebehuizingen en antislipgrepen voor gereedschap en sportuitrusting, luchtdichte voedselopslagcontainersElektronicaOp maat gemaakte behuizingen, diverse prototypingKnoppen en toetsenborden voor afstandsbedieningen, duurzame buitenverlichtingscomponenten, isolerende behuizingen voor connectoren

Hoe maak je de juiste keuze tussen compressiegieten en 3D-printen?

Er zijn verschillende overwegingen om te beslissen welke methoden geschikt zijn voor uw vereisten tussen 3D-printen en compressiegieten. Het hangt voornamelijk af van het productievolume, de complexiteit van het ontwerp, de onderdeelgrootte en de kosten. 3D-printproductie is bijvoorbeeld geschikt voor de productie van kleine, op maat gemaakte onderdelen in een laag volume. Compressiegieten blinkt daarentegen uit in het produceren van grote componenten in grotere volumes.

Het wordt echter aanbevolen om brancheleiders zoals RapidDirct te raadplegen voordat u de juiste beslissing neemt over 3D-printen versus compressiegieten. Wij lopen voorop op het gebied van on-demand productiediensten, waaronder diensten op het gebied van kunststofgieten en 3D-printen. Dankzij onze geavanceerde productiefaciliteiten voor gieten en 3D-printen kunnen onze ingenieurs uw unieke projecten uitvoeren.

• 100+ materiaalopties
• Snelle prototyping voor diverse industriële toepassingen
• Snelle doorlooptijd
• Nauwkeurige en toch betaalbare oplossingen

Begin vandaag nog met uw project!