Wat is 3D-printen? Werkingsprincipe | Soorten | Toepassingen

Het concept van 3D-printen is bedacht door David E.H. Jones in 1974. Methoden en materialen voor het maken van modellen werden echter pas in het begin van de jaren tachtig ontwikkeld.

De term '3D-printen' omvat tal van processen en technieken die een breed spectrum aan mogelijkheden bieden voor de productie van onderdelen en producten in verschillende materialen. In de afgelopen jaren hebben deze processen zich aanzienlijk ontwikkeld en kunnen ze nu cruciale rollen vervullen in veel toepassingen.

Dit overzichtsartikel is bedoeld om de verschillende soorten en processen van 3D-printen uit te leggen, hoe ze werken en wat hun gebruik en voordelen zijn in de huidige markt. Laten we beginnen met een heel basale vraag.

Wat is 3D-printen?

3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, is een proces waarbij een fysiek object wordt gemaakt van een driedimensionaal digitaal model of een CAD-model. Het gaat om verschillende computergestuurde technieken waarbij materiaal wordt samengevoegd of gestold om een ​​echt object te bouwen.

Typisch wordt het materiaal (zoals poederkorrels of vloeibare moleculen die samengesmolten worden) laag voor laag op millimeterschaal toegevoegd. Daarom wordt 3D-printen ook wel een additief fabricageproces genoemd.

De afbeelding illustreert hoe een 3D-printer driedimensionale objecten laag voor laag afdrukt | 3D-logica

In de jaren negentig werden 3D-printtechnieken rapid prototyping genoemd. Ze waren alleen geschikt voor de fabricage van esthetische of functionele prototypes. Sindsdien hebben we een lange weg afgelegd.

De huidige 3D-printtechnologie is geavanceerd genoeg om complexe structuren en geometrieën te creëren die anders onmogelijk handmatig te bouwen zouden zijn.

De precisie, het materiaalbereik en de herhaalbaarheid van 3D-printen is zodanig toegenomen dat we bijna alles kunnen bouwen - van eenvoudige prototypes tot complexe eindproducten zoals milieuvriendelijk bouwen, vliegtuigonderdelen, medische instrumenten en zelfs kunstmatige organen met behulp van lagen van menselijke cellen.

Lezen:Wetenschappers 3D printen een kunstmatig menselijk hoornvlies met behulp van 'bio-inkt'

Hoe werkt het precies?

Alle 3D-printtechnieken zijn gebaseerd op hetzelfde principe:een 3D-printer neemt een digitaal model (als input) en verandert dit in een fysiek driedimensionaal object door materiaal laag voor laag toe te voegen.

Het is heel anders dan traditionele productieprocessen zoals spuitgieten en CNC-bewerking waarbij verschillende snijgereedschappen worden gebruikt om de gewenste structuur uit een massief blok te construeren. Voor 3D-printen zijn echter geen snijgereedschappen nodig:objecten worden direct op het gebouwde platform vervaardigd.

Het proces begint met een digitaal 3D-model (een blauwdruk van het object). De software (specifiek voor de printer) snijdt het 3D-model in dunne, tweedimensionale lagen. Het zet ze vervolgens om in een reeks instructies in machinetaal die de printer kan uitvoeren.

Afhankelijk van het type printer en de grootte van het object duurt een afdruk enkele uren. Het geprinte object vereist vaak nabewerking (zoals schuren, lakken, verf of andere soorten conventionele afwerkingen) om de optimale oppervlakteafwerking te bereiken, wat extra tijd en handmatige inspanning kost.

Verschillende soorten 3D-printers maken gebruik van een andere technologie die verschillende materialen op verschillende manieren verwerkt. Misschien wel de meest fundamentele beperking van 3D-printen, in termen van materialen en toepassingen, is dat er geen pasklare oplossing is.

Typen/processen van 3D-printen

Volgens de ISO/ASTM 52900-standaard kunnen alle 3D-printprocessen worden onderverdeeld in zeven groepen. Elk heeft zijn voor- en nadelen, die meestal betrekking hebben op aspecten als kosten, snelheid, materiaaleigenschappen en geometrische beperkingen.

1. Vat fotopolymerisatie

Illustratie van SLA:een laser(a) verlicht selectief de transparante bodem(c) van een tank gevuld(b) met een vloeibare fotopolymeriserende hars. Het hefplatform (e) sleept geleidelijk de gestolde hars (d) omhoog.

Een 3D-printer op basis van Vat-fotopolymerisatie heeft een container gevuld met fotopolymeerhars, die wordt uitgehard met een ultraviolette lichtbron om een ​​object te creëren. De drie meest voorkomende vormen van vatpolymerisatie zijn

1a) Stereolithografie (SLA): SLA, uitgevonden in 1984, gebruikt een ultraviolette laser om chemische monomeren en oligomeren te verknopen om polymeren te vormen die het lichaam van een driedimensionale vaste stof vormen. Hoewel het proces snel is en bijna elke structuur kan bouwen, kan het duur zijn.

1b) Digitale lichtverwerking (DLP): Het maakt gebruik van conventionele lichtbronnen zoals booglampen (in plaats van lasers). Elke laag van het object wordt op het vat met vloeibare hars geprojecteerd, dat vervolgens laag voor laag wordt gestold terwijl het hefplatform omhoog of omlaag beweegt.

1c) Continuous Liquid Interface Production (CLIP): Het is vergelijkbaar met stereolithografie, maar continu en tot 100 keer sneller. CLIP kan rubberachtige en flexibele objecten produceren met gladde zijkanten, die met andere technieken niet gemaakt zouden kunnen worden.

2. Materiaal extrusie

Illustratie van materiaalextrusie:Nozzle(1) deponeert materiaal(2) op een bouwplatform(3).

Bij dit proces wordt een filament van vast thermoplastisch materiaal door een verwarmd mondstuk geduwd, dat het materiaal smelt en het langs een vooraf bepaald pad op een bouwplatform afzet. Dit materiaal koelt uiteindelijk af en stolt en vormt een driedimensionaal object. De meest gebruikte technieken in dit proces zijn

2a) Fused Deposition Modeling (FDM): Het maakt gebruik van een continu filament van een thermoplastisch materiaal, zoals nylon, thermoplastisch polyurethaan of polymelkzuur.

2b) Robocasting: Het omvat extrusie van een pasta-achtig materiaal uit een klein mondstuk terwijl het mondstuk over een bouwplatform wordt bewogen. Het proces verschilt van FDM omdat het niet afhankelijk is van het drogen of stollen van materiaal om zijn vorm na extrusie te behouden.

3. Lamineren van vellen

Sommige printers gebruiken papier en plastic als bouwmateriaal om de printkosten te verlagen. Bij deze techniek worden meerdere lagen zelfklevend plastic, papier of metaallaminaat achtereenvolgens samengevoegd en in vorm gesneden met een lasersnijder of mes.

De laagresolutie kan worden gedefinieerd door de materiaalgrondstof. Meestal varieert het tussen één en enkele vellen kopieerpapier. Het proces kan worden gebruikt om grote onderdelen te maken, maar de maatnauwkeurigheid van het eindproduct zal behoorlijk lager zijn dan die van stereolithografie.

4. Gerichte energiedepositie

Gerichte energiedepositietechniek wordt veel gebruikt in de hightech metaalindustrie en snelle fabricagetoepassingen. Het afdrukapparaat bevat een mondstuk dat is bevestigd aan een meerassige robotarm. Het mondstuk zet een metalen kracht neer op het bouwplatform, dat vervolgens wordt gesmolten door een laser-, plasma- of elektronenstraal om een ​​vast object te vormen.

Dit type 3D-printen ondersteunt verschillende metalen, functioneel gesorteerde materialen en composieten, waaronder aluminium, roestvrij staal en titanium. Het kan niet alleen volledig nieuwe metalen onderdelen construeren, maar kan ook materiaal(en) aan bestaande onderdelen bevestigen, waardoor hybride productietoepassingen mogelijk worden.

5. Materiaalspuiten

Onderdelen bedrukt met het materiaalspuitproces 

Materiaalstralen werkt op dezelfde manier als inkjetpapierprinters. Bij dit proces wordt een lichtgevoelig materiaal in druppeltjes aangebracht door een mondstuk met een kleine diameter en vervolgens uitgehard door ultraviolet licht, waardoor een deel laag voor laag wordt opgebouwd.

De materialen die bij deze techniek worden gebruikt zijn thermohardende fotopolymeren (acrylaten). Afdrukken op meerdere materialen en een breed scala aan materialen (inclusief rubberachtige en transparante materialen) zijn ook beschikbaar.

Aangezien 3D-printen met materiaalstralen onderdelen kan construeren met een hoge maatnauwkeurigheid met een gladde oppervlakteafwerking, is het een aantrekkelijke optie voor het vervaardigen van zowel visuele prototypes als commerciële gereedschappen.

6. Bindmiddelspuiten

Een full-color print gedrukt in zandsteen met Binder Jetting | Afbeelding tegoed:3D Hubs 

Binder jetting maakt gebruik van twee materialen:poederbasismateriaal en een vloeibaar bindmiddel. Het poeder wordt in gelijkmatige lagen in de bouwkamer verdeeld en bindmiddel wordt aangebracht via straalsproeiers, die de poederdeeltjes 'verlijmen' om het gewenste object te bouwen.

Was of thermohardende polymeer wordt vaak gemengd met gebonden poeder om de sterkte te vergroten. Nadat de 3D-print is voltooid, wordt het overgebleven poeder verzameld en gebruikt voor het printen van een andere structuur.

Omdat de techniek erg lijkt op een inkjet-achtig proces, wordt het ook wel het injecteren van 3D-printen genoemd. Het wordt meestal gebruikt voor het printen van onderdelen van elastomeer, uitsteeksels en kleurrijke prototypes.

7. Poederbed Fusion

Een SLS-systeem | DTM – 2500CI 

Poederbedfusie is een subset van additieve fabricage waarbij een warmtebron (zoals een thermische printkop of laser) wordt gebruikt om materiaal in poedervorm te consolideren om fysieke objecten te bouwen. De vijf meest voorkomende vormen van deze technologie zijn

7a) Selectief lasersinteren (SLS): Het gebruikt een laser als krachtbron om poedervormig materiaal zoals polyamide of nylon te sinteren. Hier verwijst de term sinter naar het proces van het samenpersen en vormen van een vaste materiaalmassa door druk of warmte toe te passen zonder het te smelten tot het vloeibaar wordt.

7b) Selectief lasersmelten (SLM): In tegenstelling tot SLS is deze techniek ontworpen om metaalpoeders volledig te smelten en samen te smelten. Het kan volledig dichte materialen creëren (laag voor laag) die mechanische eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met die van traditioneel vervaardigde metalen. Dit is een van de snel ontwikkelende processen die zowel in de industrie als in het onderzoek wordt geïmplementeerd.

7c) Electron Beam Melting (EBM): Daarbij wordt de grondstof (draad of metaalpoeder) in een vacuüm geplaatst en met behulp van een elektronenstraal samengesmolten. Hoewel EBM alleen kan worden gebruikt met geleidende materialen, heeft het een superieure bouwsnelheid vanwege de hogere energiedichtheid.

7d) Selective Heat Sintering (SHS): Het maakt gebruik van een thermische printkop om warmte toe te passen op lagen thermoplast in poedervorm. Zodra de laag klaar is, beweegt het poederbed naar beneden en wordt een nieuwe laag materiaal toegevoegd, die vervolgens wordt gesinterd om de volgende dwarsdoorsnede van het model te vormen. Deze techniek is het beste voor het vervaardigen van goedkope prototypes en onderdelen voor functionele testen.

7e) Direct Metal Laser Sintering (DMLS): Het is vergelijkbaar met SLS, maar gebruikt in plaats daarvan metaalstroom. De overgebleven kracht wordt een draagstructuur voor het object en kan worden hergebruikt voor de volgende 3D-print. DMLS-onderdelen zijn meestal gemaakt van poedervormige materialen zoals titanium, roestvrij staal, aluminium en verschillende nichelegeringen. Het is een ideaal proces voor op maat gemaakte medische onderdelen, olie- en gascomponenten en robuuste functionele prototypen.

Toepassing

In het afgelopen decennium heeft 3D-printen zich aanzienlijk ontwikkeld. Omdat het kan worden gebruikt om snel complexe ontwerpen te maken tegen lagere kosten, is het een essentieel hulpmiddel geworden in een verscheidenheid aan industrieën, variërend van commerciële productie en medicijnen tot architectuur en ontwerp op maat.

Veel additieve fabricagetechnieken kunnen worden gebruikt om voedselproducten te vervaardigen. Moderne 3D-printers worden geleverd met vooraf geladen recepten aan boord en stellen gebruikers ook in staat om op afstand hun voedsel op hun computers en smartphones te maken. Het 3D-geprinte voedsel kan worden aangepast in textuur, kleur, vorm, smaak en voeding.

De technologie is ook effectief gebleken in farmaceutische formuleringen. De eerste formulering vervaardigd door 3D Printing werd geproduceerd in 2015. In hetzelfde jaar keurde de FDA de eerste 3D-geprinte tablet goed.

Zero-G 3D-printer verzonden naar ISS in 2014  

In 2014 leverde SpaceX de eerste zwaartekrachtloze 3D-printer aan het internationale ruimtestation ISS. Het wordt nu door astronauten gebruikt om handige tools zoals een dopsleutel af te drukken.

Veel geplande assemblageprojecten op planeten of asteroïden zullen op de een of andere manier worden opgestart met behulp van de materialen die beschikbaar zijn in nabijgelegen regio's. 3D-printen is een van de belangrijkste stappen in deze bootstrapping.

Tegenwoordig integreren technologiebedrijven additieve productie met cloud computing om gedecentraliseerde en geografisch onafhankelijke gedistribueerde productie mogelijk te maken. Sommige bedrijven bieden online 3D-printdiensten (via website) aan voor zowel particuliere als commerciële klanten.

Lezen:40 beste websites om gratis STL-bestanden te downloaden voor 3D-printen

Toekomst van 3D-printen

De grote droom van 3D-printen is "een fabriek in ieders huis". Het klinkt misschien vreemd, maar het valt niet te ontkennen dat het fascinerend is om een ​​machine te bezitten die onmiddellijk oneindig aanpasbare dingen kan produceren.

Net zoals computers en smartphones miljarden mensen in staat hebben gesteld, kunnen 3D-printers hetzelfde doen voor productie.

Volgens GrandViewResearch werd de wereldwijde 3D-geprinte markt in 2019 gewaardeerd op $ 11,58 miljard en zal naar verwachting in 2027 meer dan $ 33 miljard bedragen (met een groeipercentage van 14% per jaar).

De factoren die naar verwachting de marktgroei zullen stimuleren, zijn onder meer de agressieve R&D en de toenemende vraag naar prototyping-toepassingen uit verschillende verticale sectoren, met name de automobielindustrie, de ruimtevaart, defensie en gezondheidszorg.