3D-printen begrijpen: principes, typen en sleuteltoepassingen

Het concept van 3D-printen werd in 1974 neergelegd door David E.H. Jones. Echter, methoden en materialen voor het fabriceren van modellen werden pas in de vroege jaren '80 ontwikkeld.

De term '3D-printen' omvat talloze processen en technieken die een wijd spectrum van 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 heeft als doel de verschillende typen en processen van 3D-printen uit te leggen, hoe ze werken, en wat hun toepassingen en voordelen zijn op de huidige markt. Laten we beginnen met een heel basisvraag.

Wat is 3D-printen?

3D-printen, ook wel additieve productie genoemd, is een proces van het maken van een fysiek object uit een driedimensionaal digitaal model of een CAD-model. Het omvat diverse computergecontroleerde technieken waarbij materiaal wordt samengevoegd of verzolid om een echt object te bouwen.

Typisch wordt het materiaal (zoals poederkorrels of vloeistofmoleculen die samensmelten) laag voor laag op millimeterschaal toegevoegd. Daarom wordt 3D-printen ook een additief productieproces genoemd.

De afbeelding illustreert hoe een 3D-printer driedimensionale objecten laag voor laag print | 3D Logics

In de jaren '90 werden 3D-printtechnieken aangeduid als rapid prototyping. Ze waren alleen geschikt voor de fabricatie van esthetische of functionele prototypes. Sindsdien hebben we een lange weg afgelegd.

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

De precisie, materialenbereik en herhaalbaarheid van 3D-printen zijn zo weit gestegen dat we bijna alles kunnen construeren — van eenvoudige prototypes tot complexe eindproducten zoals milieuvriendelijke gebouwen, vliegtuigonderdelen, medische instrumenten, en zelfs kunstmatige organen met behulp van lagen menselijke cellen.

Lees: Wetenschappers 3D-printen een kunstmatige menselijke hoornvlies met 'bio-inkt'

Hoe werkt het precies?

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

Dit verschilt fundamenteel van traditionele productieprocessen zoals spuitgieten en CNC-bewerking die diverse snijgereedschappen gebruiken om de gewenste structuur te construeren vanuit een massief blok. 3D-printen vereist echter geen snijgereedschappen: objecten worden direct op het bouwplatform geproduceerd.

Het proces begint met een digitaal 3D-model (een blauwdruk van het object). De software (specifiek voor de printer) sneedt het 3D-model in dunne, tweedimensionale lagen. Vervolgens converteert het deze naar een set instructies in machinetaal voor de printer om uit te voeren.

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

Verschillende typen 3D-printers gebruiken verschillende technologieën die verschillende materialen op verschillende manieren verwerken. Misschien is de meest basale beperking van 3D-printen, qua materialen en toepassingen, dat er geen one-size-fits-all oplossing is.

Typen/Processen van 3D-printen

Volgens de ISO/ASTM 52900-standaard kunnen alle 3D-printprocessen in zeven groepen worden gecategoriseerd. Elk heeft voor- en nadelen, die meestal aspecten zoals kosten, snelheid, materiaaleigenschappen en geometrische beperkingen omvatten.

1. Vat-fotopolymerisatie

Illustratie van SLA: een laser (a) verlicht selectief de transparante bodem (c) van een tank gevuld (b) met vloeibare fotopolymeriserende hars. Het tillende platform (e) trekt progressief het verzolidde hars (d) omhoog.

Een 3D-printer gebaseerd op vat-fotopolymerisatie heeft een container gevuld met fotopolymerhars, die wordt verhard met een ultraviolette lichtbron om een object te creëren. De drie meest voorkomende vormen van vat-polymerisatie zijn:

1a) Stereolithografie (SLA): Uitgevonden in 1984, gebruikt SLA een ultraviolette laser om chemische monomeren en oligomeren te crosslinken tot polymeren die de lichaamsvorm van een driedimensionaal vast object vormen. Hoewel het proces snel is en bijna elke structuur kan construeren, kan het duur zijn.

1b) Digital Light Processing (DLP): Het gebruikt conventionele lichtbronnen zoals booglampen (in plaats van lasers). Elke laag van het object wordt geprojecteerd op de vat met vloeibare hars, die vervolgens laag voor laag verzolid wordt naarmate het tillende platform omhoog of omlaag beweegt.

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

2. Materiaalextrusie

Illustratie van materiaalextrusie: Mondstuk (1) depositert materiaal (2) op een bouwplatform (3).

In dit proces wordt een filament van vast thermoplastisch materiaal door een verwarmd mondstuk geduwd, dat het materiaal smelt en op een bouwplatform depot volgens een vooraf bepaald pad. Dit materiaal koelt uiteindelijk af en verzolideert, vormend een driedimensionaal object. De meest gebruikte technieken in dit proces zijn:

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

2b) Robocasting: Het omvat extrusie van een pasta-achtig materiaal uit een klein mondstuk terwijl het mondstuk over een bouwplatform beweegt. Het proces verschilt van FDM omdat het niet vertrouwt op droging of verzoliding van materiaal om zijn vorm na extrusie te behouden.

3. Laaglaminatie

Sommige printers gebruiken papier en plastic als bouwmateriaal om de kosten van printen te verlagen. In deze techniek worden meerdere lagen van lijmende plastic, papier of metaal laminaten achtereenvolgens aan elkaar gehecht en in vorm gesneden met een lasersnijder of mes.

De laagresolutie kan gedefinieerd worden door de materialenvoorraad. Doorgaans ligt deze tussen één en een paar velletjes kopieerpapier. Het proces kan gebruikt worden om grote delen te maken, maar de dimensionale nauwkeurigheid van het eindproduct zal aanzienlijk lager zijn dan die van stereolithografie.

4. Gerichte energiedepositie

De techniek van gerichte energiedepositie wordt veel gebruikt in de high-tech metaalindustrie en rapid manufacturing-toepassingen. Het printapparaat bevat een mondstuk dat vastgezet is aan een multi-as robotarm. Het mondstuk depositert metaalpoeder op het bouwplatform, dat vervolgens wordt gesmolten door een laser, plasma of elektronenbundel, om een vast object te vormen.

Dit type 3D-printen ondersteunt diverse metalen, functioneel gegardeerde materialen en composieten, waaronder aluminium, roestvrij staal en titanium. Niet alleen kan het volledig nieuwe metalen delen construeren, maar het kan ook materiaal(aan) aan bestaande delen hechten, wat hybride productietoepassingen mogelijk maakt.

5. Materiaaljetting

Delen geprint met het materiaaljetting-proces

Materiaaljetting werkt op een vergelijkbare manier als inktjet-papierprinters. In dit proces wordt een fotogevoelig materiaal in druppels toegepast door een klein diameter mondstuk en vervolgens gehard door ultraviolett licht, waarbij een deel laag voor laag wordt opgebouwd.

De materialen die in deze techniek worden gebruikt, zijn thermohardende fotopolymeren (acrylaten). Multi-materiaalprinten en een breed bereik aan materialen (inclusief rubberachtige en transparante materialen) zijn ook beschikbaar.

Omdat materiaaljetting 3D-printen delen met hoge dimensionale nauwkeurigheid en een gladde oppervlakteafwerking kan construeren, is het een aantrekkelijke optie voor het produceren van zowel visuele prototypes als commerciële tools.

6. Binder jetting

Een full-color print geprint in zandsteen met Binder Jetting | Afbeeldingscredit: 3D Hubs

Binder jetting gebruikt twee materialen: poeder basismateriaal en een vloeibare binder. Het poeder wordt in gelijkmatige lagen in de bouwwijk verdeeld, en de binder wordt door jet-mondstukken toegepast, die de poederdeeltjes 'lijmen' om het gewenste object te bouwen.

Was of thermohardend polymer wordt vaak gemengd met gebonden poeder om de sterkte te vergroten. Na voltooiing van de 3D-print wordt het overgebleven poeder verzameld en gebruikt voor het printen van een andere structuur.

Omdat de techniek zeer vergelijkbaar is met een inktjet-achtig proces, wordt het ook inject 3D-printen genoemd. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het printen van elastomere delen, overhangs en kleurrijke prototypes.

7. Poederbedfusie

Een SLS-systeem | DTM – 2500CI

Poederbedfusie is een subset van additieve productie waarbij een warmtebron (zoals thermisch printhoofd of laser) wordt gebruikt om materiaal in poedervorm te consolideren tot fysieke objecten. De vijf meest voorkomende vormen van deze technologie zijn:

7a) Selective Laser Sintering (SLS): Het gebruikt een laser als energiebron om poedermateriaal zoals polyamide of nylon te sinteren. Hier verwijst de term sinteren naar het proces van compacteren en vormgeven van een vaste massa materiaal door toepassing van druk of warmte zonder het te smelten tot vloeistof.

7b) Selective Laser Melting (SLM): In tegenstelling tot SLS, is deze techniek ontworpen om metaalpoeders volledig te smelten en te smeden. Het kan volledig dichte materialen (laag voor laag) creëren die mechanische kenmerken hebben die vergelijkbaar zijn met traditioneel geproduceerde metalen. Dit is een van de snel ontwikkelende processen die zowel in de industrie als in het onderzoek geïmplementeerd worden.

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

7d) Selective Heat Sintering (SHS): Het gebruikt een thermisch printhoofd om warmte toe te passen op lagen van poederthermoplast. Zodra de laag klaar is, daalt het poederbed, en wordt een nieuwe laag materiaal toegevoegd, die vervolgens gesinterd wordt om de volgende doorsnede van het model te vormen. Deze techniek is het beste voor het produceren van goedkope prototypes en delen voor functionele tests.

7e) Direct Metal Laser Sintering (DMLS): Het is vergelijkbaar met SLS maar gebruikt metaalpoeder. Het overgebleven poeder wordt een ondersteunende structuur voor het object en kan hergebruikt worden voor de volgende 3D-print. DMLS-delen worden meestal gemaakt met poedermaterialen zoals titanium, roestvrij staal, aluminium en diverse nichelegeringen. Het is een ideaal proces voor maatwerk medische delen, olie- en gascomponenten, en zware functionele prototypes.

Toepassing

In het afgelopen decennium heeft 3D-printen zich aanzienlijk ontwikkeld. Omdat het gebruikt kan worden om complexe ontwerpen snel en tegen goedkopere kosten te produceren, is het een essentieel instrument geworden in diverse industrieën, variërend van commerciële productie en geneeskunde tot architectuur en maatwerkontwerp.

Veel additieve productietechnieken kunnen gebruikt worden om voedingsproducten te fabriceren. Moderne 3D-printers komen met voorgeladen recepten aan boord en staan gebruikers ook toe hun voedsel op afstand te creëren op hun computers en smartphones. Het 3D-geprinte voedsel kan worden aangepast in textuur, kleur, vorm, smaak en voeding.

De technologie heeft zich ook effectief bewijsd in farmaceutische formuleringen. De eerste formulering geproduceerd door 3D-printen was in 2015. In hetzelfde jaar keurde de FDA de eerste 3D-geprinte tablet goed.

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

In 2014 leverde SpaceX de eerste nul-gravitatie 3D-printer aan het Internationale Ruimtestation. Het wordt nu gebruikt door astronauten om nuttige tools te printen zoals een bussleutel.

Feitelijk zullen veel assemblageprojecten gepland op planeten of asteroiden op een of andere manier gebootstrapt worden met behulp van de materialen beschikbaar in de buurt. 3D-printen is een van de grote stappen in dit bootstrapproces.

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

Lees: 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 mag vreemd klinken, maar er is geen ontkenning dat het bezitten van een machine die ongelimiteerd aangepaste dingen kan produceren, fascinerend is.

Net zoals computers en smartphones miljarden mensen hebben geëmancipeerd, zouden 3D-printers hetzelfde kunnen doen voor productie.

Volgens GrandViewResearch was de mondiale 3D-printmarkt in 2019 gewaardeerd op $11,58 miljard, en het wordt verwacht dat deze $33 miljard zal overschrijden in 2027 (met een groeivoet van 14% per jaar).

De factoren die de marktgroei verwacht te drijven, omvatten agressief R&D en de toenemende vraag naar prototyping-toepassingen uit diverse industrieverticalen, met name automotive, aerospace, defensie en gezondheidszorg.