De 7 kern additieve productietechnieken ontdekken

Additieve Productie (AM), ook wel 3D-printen genoemd, bouwt onderdelen via een CAD gegenereerd 3D-model door enkele lagen materiaal toe te voegen en de lagen te smelten. AM duikte op in 1987 en is sindsdien stapsgewijs gegroeid, met grote sprongen in recente jaren. Omdat bedrijven nieuwe AM-technieken introduceren, neigen ze ertoe unieke marketingtermen voor hun proces te creëren, zelfs als de kerntechnieken vergelijkbaar zijn. Verschillende namen voor vergelijkbare methoden kunnen leiden tot verwarring op de markt. In dit bericht zullen we de kerntechnieken en hun voor- en nadelen identificeren.

Volgens ISO/ASTM standaarden, deelt AM de technieken die gebruikt worden om de lagen te creëren in zeven categorieën, waarvan de eerste vier op de lijst geschikt zijn voor metalen.

1. Binder jetting
2. Directed Energy Deposition
3. Powder Bed Fusion
4. Sheet Lamination
5. Material Extrusion
6. Material Jetting
7. Vat Photo Polymerization

1. Binder Jetting

Uniek in AM doordat het geen warmte gebruikt tijdens het smeltproces van het materiaal. Een bindende vloeistof of binder wordt selectief gedeponeerd, wat het poedermateriaal samenvoegt om het 3D-onderdeel te vormen. Afhankelijk van het type poeder, het gebruikte systeem of klanttoepassingsvereisten bepaalt de selectie van het type binder. Het proces begint met het poedermateriaal dat over het bouwplatform wordt verspreid met een roller en de printkop deposeert de binder bovenop het poeder waar gespecificeerd. Het bouwplatform daalt om de volgende laag toe te staan, en het proces herhaalt zich tot het item compleet is. Ongebonden poeder wordt verwijderd.

Voordelen van Binder Jetting

• Vermogen om onderdelen met een reeks verschillende kleuren te maken
• Gebruikt een reeks materialen: metaal, polymeren, keramiek
• Sneller AM-proces
• Geen vervorming of krimp van onderdelen
• Minder afval door ongebruikt poeder te hergebruiken
• Kenmerkt een twee-materiaal methode die verschillende binder-poeder combinaties toestaat

Nadelen van Binder Jetting

• Onderdelen vereisen na-verwerking wat significante tijd toevoegt aan het totale proces
• Lage onderdeelsterkte, niet altijd geschikt voor structurele onderdelen
• Minder accuraten dan Material Jetting

2. Directed Energy Deposition (DED)

DED creëert 3D-objecten door het smelten en depositeren van ofwel poeder- of draad-gebaseerde materialen vanuit een gefocuste thermische energiebron, inclusief laser, elektronenbundel of plasma-boog. Hoewel het proces metaal, keramiek en polymere onderdelen kan maken, wordt het hoofdzakelijk gebruikt voor metaalonderdelen en in meer hybride productie waar het substraatbed verplaatsbaar is om complexe vormen te creëren. DED wordt ook aangeduid als laser metal deposition (LMD), 3D laser cladding, of direct light fabrication vanwege de verschillende energiebronnen die gebruikt worden en het eindgebruik. Ten slotte, gebaseerd op hoe het proces werkt, wordt het hoofdzakelijk gebruikt voor het repareren of herstellen van bestaande onderdelen door materiaal toe te voegen waar nodig.

Voordelen van DED

• Sterke en dichte onderdelen
• Snelle bouwsnelheden
• Vermindering van materiaalafval
• Bereik van materiaalselectie: metaal, keramiek, polymere
• Materialen zijn gemakkelijk uit te wisselen
• Vermogen om onderdelen met custom alloys te maken
• Onderdelen gebouwd tot near-net-shape
• Vermogen om grotere onderdelen te bouwen

Nadelen van DED

• Kapitaalkosten voor systemen zijn hoog
• Onderdelen hebben lagere resolutie resulterend in slechtere oppervlakteafwerking, vereist secundaire verwerking
• Ondersteuningsstructuren zijn niet bruikbaar tijdens het bouwproces

3. Powder Bed Fusion (PBF)

PBF heeft vier categorieën van energiebronnen, laser gesmolten, elektronenbundel gesmolten, gesmolten met agent en energie, en thermisch gesmolten. De energiebron smelt ofwel kunststof of metaal poederdeeltjes, wat solidifieert en samen smelt in een patroon om het object te maken. Het powder bed fusion proces gebruikt twee kamers, de bouwkamer en poederkamer, en een coating roller. Om de objecten te creëren, beweegt de coating roller en verspreidt het poedermateriaal over de bouwkamer om een dunne laag poeder te depositeren. Sommige PBF processen zullen een schraper, mes of nivellering roller na de coating roller gebruiken om ervoor te zorgen dat de dikte van de bovenste laag uniform is. Vervolgens smelt de energiebron de gedeponeerde bovenste laag van het metaalpoederbasis. Wanneer die laag gescand en gesmolten is, wordt het bouwplatform incrementeel omlaag gelaten, tegelijkertijd wordt de poederkamer met hetzelfde bedrag omhoog getild, en het proces herhaalt zich tot het object voltooid is.

Voordelen van PBF

• Lage kosten van machines
• Geen of minimale ondersteuningsstructuren nodig voor de bouw
• Variëteit in materiaalselectie
• Meerdere materialen kunnen worden gebruikt
• In staat om poeder te recyclen

Nadelen van PBF

• Traag en lange printtijd
• Extra na-verwerkingstijd
• Zwakkere structurele eigenschappen
• Variaties in oppervlakte tekstuur kwaliteit
• Ondersteuningsbouwplaat mogelijk nodig om vervorming te voorkomen
• Snelheid van het printproces kan bepalen of het poeder herbruikbaar is
• Thermische vervorming, voornamelijk voor polymere onderdelen
• Machines gebruiken veel energie om onderdelen te creëren

4. Sheet Lamination

AM die 3D-objecten bouwt door dunne bladen materiaal te stapelen en te lamineren door binding, ultrasonische letsel of brazing. Om de eindvorm van het object te creëren, wordt lasersnijden of CNC-bewerking gebruikt. Van alle AM-technologieën produceert dit onderdelen met de minst additieve resolutie of hoeveelheid detail, maar biedt lage kosten en snellere productietijd voor snelle prototyping met gemakkelijk beschikbare, lage-kosten materialen.

Sheet lamination kan gecategoriseerd worden in zeven typen:

• Laminated Object Manufacturing (LOM)
• Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM)
• Plastic Sheet Lamination (PSL)
• Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials (CAM-LEM)
• Selective Deposition Lamination (SDL)
• Composite Based Additive Manufacturing (CBAM)
• Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)

Hoewel de typen sheet lamination lichtelijk verschillen, is het algemene principe hetzelfde. Het proces begint met een dun blad materiaal dat van de roller gevoerd wordt of op het bouwplatform geplaatst wordt. De volgende laag mag of mag niet gebonden zijn aan het vorige blad, afhankelijk van het proces. Lagen worden gestapeld tot de volledige hoogte bereikt is. Verwijdering van de printblok en alle ongewilde buitenranden voltooien het object.

Voordelen van sheet lamination

• Relatief lage kosten
• Groter werkgebied
• Volkleur prints
• Integreert als hybride productiesystemen
• Gemakkelijk materiaalafhandeling
• Vermogen om meerdere materialen te lagen
• Geen ondersteuningsstructuren nodig
• In sommige sheet lamination
• Afhankelijk van techniektype gebruikt, blijft de materiële toestand onveranderd
• Snellere printtijd, maar vereist na-verwerking

Nadelen van sheet lamination

• Laaghoge kan niet gewijzigd worden zonder de bladdikte te wijzigen
• Afwerkingen kunnen variëren afhankelijk van het materiaal en kunnen na-verwerking vereisen
• Beperkte materiaalopties beschikbaar
• Verwijdering van overbodig materiaal na de lamineringsfase kan moeilijk en tijdrovend zijn
• Kan meer afval genereren in vergelijking met andere AM-methoden
• Holle onderdelen zijn uitdagend om te produceren in sommige typen sheet lamination
• Bindingsterkte is afhankelijk van de gebruikte lamineringsmethode

5. Material Extrusion

Het meest populaire AM-proces in termen van beschikbaarheid voor algemene consumentenvraag en kwaliteit, gebruikt een continu filament van thermoplastisch of composiet materiaal om 3D-onderdelen te construeren. Het materiaal in de vorm van plastic filament wordt door een extruderende monding gevoerd, waar het verwarmd wordt en daarna op het bouwplatform laag voor laag gedeponeerd.

Voordelen van Material Extrusion

• Wijde selectie van printmateriaal
• Gemakkelijk begrijpbare printtechniek
• Gebruiksvriendelijke methode van printmateriaalwissel
• Lage initiële en lopende kosten
• Snellere printtijd voor kleine en dunne onderdelen
• Printtolerantie van +/- 0,1 (+/- 0,005")
• Geen toezicht vereist
• Kleine apparatuurgrootte
• Laagtemperatuurproces

 Nadelen van Material Extrusion

• Zichtbare laaglijnen
• Extruderende kop in continue beweging of het materiaal buigt op
• Ondersteuning kan vereist zijn
• Zakke onderdeelsterkte langs Z-as
• Verhoogde printtijd met fijne resolutie en bredere gebieden
• Vatbaar voor vervorming en andere temperatuurschommelingen
• Giftige printmaterialen

6. Material Jetting

Een proces waar druppels was-achtige materialen selectief gedeponeerd worden op een bouwplatform. Het materiaal koelt en solidificeert, wat lagen van materialen toestaat om op elkaar geplaatst te worden. Na de bouw worden ondersteuningsstructuren ofwel mechanisch verwijderd of weggesmolten.

Voordelen van Material Jetting

• Material jetting kan uitstekende nauwkeurigheid en oppervlakteafwerkingen bereiken
• Onderdelen zijn goed voor gebruik in patronen voor gieten

Nadelen van Material Jetting

• Beperkt aantal was-achtige materialen beschikbaar
• Onderdelen zijn kwetsbaar vanwege was-achtige materialen
• Traag bouwproces

7. Vat Photo Polymerization

Het proces dat gebruikt wordt om fotopolymer vloeistof hars in een vat laag voor laag te harden, het om te zetten in harde kunststof onderdelen met behulp van een ultraviolet (UV) laser. De drie meest voorkomende typen van deze technologie omvatten Stereolithografie, Digital Light Processing (DLP) en Continuous Digital Light Processing (CDLP).

Voordelen van Vat Photo Polymerization

• Hoog niveau van nauwkeurigheid en goede afwerking
• Relatief snel proces
• Grote bouwgebieden

Nadelen van Vat Photo Polymerization

• Relatief duur
• Lange na-verwerkingstijd en verwijdering uit hars
• Beperkt tot foto-hars materialen
• Kan nog steeds beïnvloed worden door UV-licht na print
• Kan ondersteuningsstructuren en na-verharding vereisen voor onderdelen om stevig genoeg te zijn voor structureel gebruik

Conclusie

Naarmate additieve productiemachines betaalbaarder worden voor machinewerkplaatsen, leidt de flexibiliteit in ontwerp en materiaaleigenschappen tot een breed scala aan praktische toepassingen en gebruiken. Luchtvaart, automotive en medische industrieën zien allemaal voordelen van additieve productie. Snelle prototyping, lage volume productie en de mogelijkheid om onderdelen te repareren zijn enkele van de redenen voor de groei van dit type productie.