3D-printen uitgelegd: Deel 1 – Van grondstoffen tot moderne innovaties

Deel één: Grondstoffen

Terwijl additieve manufacturing – meer bekend als 3D-printen – al bijna 40 jaar bestaat, voelt het voor velen nog alsof de technologie in de kinderschoenen staat. 3D-printtechnologie heeft zich in de afgelopen 10 jaar meer ontwikkeld dan in de drie decennia daarvoor, wat het meer levensvatbaar maakt voor prototyping en kleine productieruns dan ooit. Deze vooruitgang heeft additieve manufacturing stevig in het publiek oog geplaatst terwijl fabrikanten de nieuwste innovaties verkennen en hoe ze productieprocessen kunnen versnellen.

De markt voor 3D-printmaterialen wordt geschat te groeien van $530,1 miljoen in 2016 naar meer dan $1,4 miljard in 2021, volgens onderzoek van MarketsandMarkets. Deze groei kan grotendeels toegeschreven worden aan een uitbreiding in de opties van materialen die gebruikt worden om objecten te printen. Terwijl 3D-printers oorspronkelijk een beperkte selectie kunststoffen gebruikten, kunnen nieuwere machines printen met een veel breder scala aan materialen.

Uitdagingen voor de 3D-printmaterialenmarkt

Het in 3D-printen gebruikte materiaal bepaalt de efficiëntie van het printproces en de kwaliteit van het eindproduct. Ondanks de snelle groei van additieve manufacturing, moet de technologie talloze uitdagingen overwinnen voordat het een levensvatbare alternatief kan worden voor traditionele productie- en bewerkingsmethoden. Veel van deze uitdagingen zijn direct gerelateerd aan grondstoffen, waaronder:

• Grondstofkosten

3D-printen profiteert niet van de schaalvoordelen die andere productietechnologieën bieden. Additieve manufacturing is nog steeds relatief traag en wordt voornamelijk gebruikt voor prototypes of heel kleine productieruns, wat betekent dat er geen grote bulkmateriaalkortingen zijn.

• Beperkt materiaalbereik

Hoewel de typen beschikbare materialen voor 3D-printprojecten de afgelopen decennium dramatisch zijn uitgebreid, is de selectie nog steeds redelijk beperkt. Momenteel is materiaalkeuze onderhevig aan de beperkingen van 3D-printtechnologie en eventuele beperkingen die het ontwerp oplegt.

• Grondstofbeschikbaarheid

Additieve manufacturing grondstoffen kunnen nog steeds moeilijk te bemachtigen zijn, met name wanneer het ontwerp zeldzame stoffen vereist, zoals metalen of keramiek.

Deze problemen zouden in de nabije toekomst aangepakt moeten worden naarmate de bovengenoemde marktgroeit plaatsvindt. Naarmate 3D-printen een meer gangbare methode voor fabrikanten wordt, zullen materiaalprijzen exponentieel dalen, de opties zullen uitbreiden en alle materiaaltypen zullen makkelijker beschikbaar worden.

3D-printmaterialen marktdeelnemers

Succesvolle groei in additieve manufacturing zal grotendeels afhangen van samenwerking tussen de diverse bijdragers aan de grondstoftoeleveringsketen. Primaire stakeholders omvatten:

• Materiaalleveranciers
• Printerfabrikanten
• Printservicebureaus
• Eindgebruikers

Naarmate elk van deze deelnemers nieuwe innovaties op de markt brengt, zal de technologie verder vorderen. Samenwerking tussen elke schakel van de toeleveringsketen zal stakeholders in staat stellen de richting van de technologie en haar groei te sturen.

Typen 3D-printmaterialen

3D-printmaterialen komen doorgaans in filamenten, poeders of vloeistoffen. De gebruikte typen omvatten vier hoofdcategorieën:

• Kunststoffen
  • Fotopolymeren – epoxides en hybriden, acrylaten, polyamide, nitrilrubber
  • Kunststofpoeder – PA, TPU, PEEK, PP, PS
  • Kunststoffilamenten – ABS, PLA, PC en blends, Nylon, polyethyleentereftalaat, thermoplastisch polyurethaan

• Keramiek
  • Keramisch poeder

• Metalen
  • Aluminium en legeringen
  • Roestvrij staal
  • Inconel, kobalt chroom, nikkel legeringen
  • Titaan en legeringen
  • Overige

• Overige
  • Zand met binder
  • Foto gevoelige harsen

Fotopolymeren

Fotopolymerharsen staan voor het toonaandeel van de mondiale additieve manufacturing materialenmarkt en worden verwacht hun marktaandeel in de voorziene toekomst uit te breiden. Fotopolymeren zijn vloeibare harsen gebruikt in Polyjet en Stereolithografie 3D-printers en worden uitgehard en gecureerd door een polymerisatieproces met behulp van UV-stralen om kunststofonderdelen en prototypes te vormen. Fotopolymeren bevatten doorgaans diverse hoofdbestanddelen waaronder bindmiddelen, monomeren en photo-initiators. Photo-initiators zijn de hoofdbestanddelen van een fotopolymer en transformeren lichtenergie naar chemische energie. Fotopolymeren worden geprint om onderdelen voor medische, militaire en elektronische toepassingen te creëren.

Kunststofpoeders

Kunststofpoeders zijn een ander type 3D-printmateriaal dat significant marktaandeel inneemt. Kunststofpoeders zoals polyamide, polyether ether ketone (PEEK), en thermoplastisch polyurethaan (TPU) worden geselecteerd voor gewichtsreductiedoeleinden in voertuigen om brandstofefficiëntie te verbeteren en emissies te verminderen.

De primaire processen om onderdelen met kunststofpoeders te printen omvatten depositiemodellering en lasersinteren, die doorgaans een snelle doorlooptijd hebben en relatief kosteneffectief zijn. Dit drijft de vraag naar kunststofpoeders, met name voor prototype-toepassingen.

Polyamide zal waarschijnlijk het meest gebruikte materiaal blijven voor prototyping-toepassingen vanwege de redelijke prijzen, gemakkelijke verwerkbaarheid en superieure afwerking. Polyamide is een van de populairste 3D-printmaterialen gebruikt door professionele 3D-printbedrijven.

TPU is geschikt voor het fabriceren van onderdelen die hoge elasticiteit, thermische en slijtbestendigheid, en hoge schuifsterkte vereisen. PEEK is een halfkristallijn thermoplast met uitstekende mechanische en chemische weerstandseigenschappen die behouden blijven bij hoge temperaturen; echter, vanwege de hoge prijs, is PEEK beperkt in gebruik voor de meest eisende toepassingen.

Kunststoffilamenten

Kunststoffilamenten zijn de thermoplastische voedingsstof voor fused deposition modeling 3D-printers. Kunststoffilamenten bieden uitzonderlijke sterkte aan onderdelen en zijn gemakkelijk te vormen. Onder een groot scala aan materiaalopties zijn ABS en PLA verreweg de meest voorkomende filamentmaterialen. Waterweerstand en zootheid zijn de gunstige kenmerken van ABS die het een ideaal materiaal maken om functionele onderdelen te printen. PLA is gemakkelijk te printen en biologisch afbreekbaar, een populair materiaaloptie om consumentenonderdelen te printen. Onder een van de duurste materialen, was of Moldlay is een materiaal om investeringsgietpatronen te printen. Het kan opgesmolten worden tijdens het schilbakproces.

Metalen

Metalen worden doorgaans gebruikt om gereedschappen en prototypeonderdelen te printen. Staal wordt breed toegepast in automotive, industriële, voedselverwerkende en medische toepassingen vanwege goede sterkte en duurzaamheid. Staal is ook het meest economische onder alternatieven. Roestvrije stalen zoals 316L en 17-4PH en maraging staallegering zijn veelvoorkomende materialen binnen deze categorie.

Andere metalen voor 3D-processen omvatten aluminium, hoogwaardige, non-staal materialen zoals titaan, Inconel, en andere hoogsterkte legeringen. De meest voorkomende materialen in dit segment omvatten:

• Aluminiumlegeringen
• Kobalt-chroomlegeringen
• Nikkel-gebaseerde legeringen
• Titaanlegeringen

De evolutie van additieve manufacturing

Marktprognoses kunnen ons een idee geven wat de toekomst voor 3D-printen in petto heeft, maar de beste manier om bovenaan additieve manufacturing trends te blijven is om een stakeholder in de technologie te worden. Bij Impro bieden we een scala aan productiediensten, waaronder zandgieten, lost-wax gieten en precisiebewerking, en we richten ons op het vestigen van onszelf als enthousiaste speler in additieve manufacturing.

Om meer te ontdekken over de toekomst van 3D-printen, blijf op de hoogte voor Deel 2 van onze driedelige serie over dit onderwerp, die zich zal richten op de technologie zelf. U kunt ook vandaag nog onze gratis eBook downloaden – „3D Printing vs. Conventional Manufacturing”!