Wat is 3D-printen? Proces, typen en toepassingen

“Driedimensionale bewerking helpt de verwerking van machinaal vervaardigde polymeren te vergemakkelijken. Bovendien kan het, in tegenstelling tot conventionele snelle productietechnieken, snel prototypes en lichtgewicht geometrische onderdelen creëren.”

In de kunststofverwerkende industrie is 3D-printen een additieve productietechniek voor het maken van 3D-ontwerpen op basis van digitale 3D-blauwdrukken. Het biedt ontwerpprofessionals voordelen bij het creëren van esthetische tot functionele prototypes voor het testen van pasvormen voordat een volledige productie wordt gestart.

Het gaat om het stapelen van lagen voor laag, geleid door een CNC-systeem, om in minimale tijd een driedimensionaal onderdeel te creëren. Doorgaans is 3D-printen snel en efficiënt voor het maken van complexe ontwerponderdelen. Het heeft een enorm potentieel om de steeds evoluerende productielogistiek en voorraadbeheer te verstoren. 

Bovendien zijn de instelkosten relatief lager dan die van conventionele technieken. Vanwege zijn precisie en maatnauwkeurigheid in de productie-industrie kreeg het veel aandacht in alles, van architecturale ontwerpen tot prototypes voor lucht- en ruimtevaartcomponenten. 

Dit artikel bespreekt 3D-printprocessen, -typen en industriële toepassingen. Het behandelt ook de nodige tips voor een succesvol 3D-printproject. 

Wat is 3D-printen? Hoe werkt het?

3D afdrukken

3D-printen is een additieve productietechniek om onderdelen of producten te creëren. De vooraf bepaalde virtuele illustraties of wiskundige weergave van de 3D-oppervlakken worden samengesteld in software zoals MatterControl 2.0, Tinkercad, Blender, UVTools, WebPrinters en Ultimaker Cura. Na het finaliseren van het ontwerp worden de bestanden klaargemaakt voor druk. Hier wordt het ontwerp opgesplitst door het op te delen in honderden tot duizenden horizontale lagen of verticale lagen, afhankelijk van de onderdeelconfiguratie. Vervolgens wordt het gesneden model naar de 100D-printer gevoerd. 

Bij het 3D-printproces wordt het kunststofmateriaal in opeenvolgende lagen in opeenvolgende volgorde neergelegd tot de vorming van een onderdeel of product. Dit proces staat bekend als materiaalextrusie. Deze printers zijn bijzonder compact en relatief economisch om onderdelen in kleine aantallen tot bulk te produceren. Bovendien breiden 3D-printmaterialen hun assortiment uit van kunststoffen naar goedkope polymeren van technische kwaliteit. Ze hebben over het algemeen een minimaal budget nodig voor hun infrastructuur. Een van de belangrijkste voordelen is dat bij 3D-printen, in tegenstelling tot conventionele methoden, minder materiaal wordt gebruikt om prototypes te vormen. Naast hun mogelijkheden voor het ontwerpen van onderdelen, kan een standaard 3D-printer vrijwel elk conceptueel ontwerp dat in je opkomt, repliceren. Een standaard kleine 3D-printer kost gewoonlijk ongeveer €300 tot €400.

Belangrijkste onderdelen van de 3D-printer

3D-printers worden gesynchroniseerd door verschillende stationaire en beweegbare onderdelen voor het ontwikkelen van de prototypeontwerpen. Meestal worden 3D-printers gekenmerkt door de 5 hoofdcomponenten die in de onderstaande tabel worden vermeld;

Tabel: Belangrijkste onderdelen van 3D-printers

Soorten kunststof 3D-printen

Hier zijn enkele van de meest voorkomende soorten 3D-printtechnologie, waaronder;

• Stereolithografie (SLA)
• Gesmolten afzettingsmodellering (FDM)
• Selectief lasersinteren (SLS)
• Digitaal lichtproces (DLP)
• Polyjet
• Multijetfusie

Stereolithografie (SLA)

SLA 3D-printen

SLA wordt benadrukt als de eerste commerciële 3D-printtechnologie. Het maakt gebruik van een vattingtank van een vloeibaar fotopolymeer dat aanvankelijk wordt verwarmd om de volgende lagen uit te harden in het beoogde onderdeelmateriaal. 

SLA kan snel gedetailleerde prototypes met hoge resolutie, ingewikkelde onderdelen en patronen voor investeringsgieten repliceren. Bovendien helpt het ontwerpers voorbeeldige gedetailleerde componenten te vormen voor het testen van de pasvorm van een geassembleerd technisch product. 

Tabel: Kunststoftypen gebruikt in SLA en toepassingen

Gesmolten afzettingsmodellering (FDM)

FDM 3D-printen

Fused deposition modeling werkt door het smelten van plastic filamenten en het in opeenvolgende lagen door een verwarmingsmondstuk te extruderen om een ​​prototypeproduct te vormen. De resolutie en maatnauwkeurigheid van FDM zijn relatief lager vergeleken met SLA. Verder kan het gevoelig zijn voor beschadiging na langdurige blootstelling aan ultraviolette straling. 

Als het gaat om materiaalcompatibiliteit, kan het verschillende stevige thermoplastische materialen op flexibele elastomeren aanbrengen voor het maken van artikelen. Het wordt veelvuldig gebruikt bij het vormgeven van proof-of-concept-modellen en eenvoudigere tot complexe prototypes. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Selectief lasersinteren (SLS)

SLS nylon 3D-printonderdelen 

Zoals de naam al aangeeft, werkt het door een laser op sterk thermoplastisch poeder te sinteren om prototypes te bouwen voor functioneel testen. Deze laser smelt het plastic materiaal en smelt het laag voor laag door een verwarmingsmondstuk om een ​​product te bouwen. Het proces verbruikt nauwgezet al het materiaal tijdens het proces. Meestal zijn er geen ondersteunende structuren nodig tijdens de productontwikkeling. Bovendien zijn 3D-onderdelen gemaakt via SLS veerkrachtiger en zeer dimensionaal stabiel dan fused deposition- en SLA-technieken. Verder verwerven onderdelen een hogere sterkte dan spuitgietonderdelen. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Digitaal lichtproces (DLP)

Digitale lichtverwerking

Het proces van DLP lijkt op dat van SLA. Het omvat het gebruik van conventionele lichtbronnen in plaats van laserlicht. Over het algemeen is DLP relatief goedkoper en levert het onderdelen van hogere kwaliteit op dan SLA. Bovendien is het proces relatief snel, omdat het volledige onderdeel in één keer wordt afgedrukt. Naast de oppervlakteafwerking produceren deze printers vaak zeer gladde oppervlaktetexturen voor eindproducten. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Multi Jet Fusion (MJF)

Multi Jet-gedrukte onderdelen 

Daarbij is multi-jetfusie vergelijkbaar met SLS, omdat beide nylonkracht gebruiken voor de ontwikkeling van functionele prototypes. Deze 3D-printers combineren inkjetclusters tot nylonpoeder om laag voor laag een product op te bouwen door een verwarmingselement te versmelten. MJF helpt bij het produceren van gevarieerd gekleurde eindproducten en verbetert de resolutie van de beoogde onderdelen. Bovendien kost het een minimale doorlooptijd om een ​​product te vormen en wordt het met name beschouwd als een economische techniek in de 3D-printtechnologie. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Polyjet

Polyjet verwijst naar een traditionele 3D-printtechnologie die qua werking een opmerkelijke gelijkenis vertoont met conventionele inkjetprinters. Het werkt door fotopolymeren op een bouwplaat te laten vallen door UV-licht te sinteren om een ​​product te vormen. Polyjet 3D-printers zijn goedkoper dan SL en SLS. Productontwerpers kunnen polyjets gebruiken, waarbij prototypes nodig zijn om de initiële ontwerpaanpassingen van een samenstel te testen. Bovendien kunnen ze veelkleurige en multi-materiaalonderdelen smeden. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Metaal 3D-printtechnologieën

Behalve 3D printen van kunststoffenis de 3D-printtechnologie ook compatibel met verschillende zeer sterke metalen om functionele prototypes of eindproducten te ontwerpen. De meest gebruikte metalen zijn roestvrij staal, aluminium, koper, wolfraam en titanium. Hier zijn de soorten 3D-printen die coherent zijn voor de bovengenoemde metalen;

• Elektronenbundelsmelten (EBM)
• Directe metaallasersintering (DMLS)

Elektronenbundelsmelten (EBM)

Het smelten van elektronenstralen is een 3D-printen van metaal proces. Zoals de naam al doet vermoeden, wordt er gebruik gemaakt van een elektronenbundel met hoge energie om metaalpoeder in daaropvolgende homogene lagen te smelten om een ​​product te vormen dat voldoet aan de vereiste specificaties. Het werkt door een vacuüm van minder dan 0.0001 mbar te creëren in een drukkamer. De optimale temperatuur die nodig is om materiaal te smelten ligt rond de 600 tot 700 ℃. Vergeleken met andere 3D-printtechnologieën is EBM snel en kostenefficiënt. Bovendien kan het worden gebruikt als vervanging voor CNC-bewerkings- en giettechnieken, omdat het zeer duurzame onderdelen produceert. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Directe metaallasersintering (DMLS)

DMLS is een andere 3D-printtechniek voor metaal. In vergelijking tussen direct lasersinteren van metaal 3D-printen versus CNC-bewerkingbiedt het meer flexibiliteit, herhaalbaarheid, precisie en snelle productievoordelen. Bovendien is het met name een efficiënte optie voor het produceren van ingewikkelde, gedetailleerde prototypes. Over het algemeen worden er minder metalen gebruikt en kunnen uiteenlopende onderdelen worden omgezet in lichtgewicht of afzonderlijke componenten. 

Tabel: Compatibele materialen en toepassingen

Additief versus. Subtractieve productie

Additief versus. Subtractieve productie

Bij additieve productie wordt materiaal in opeenvolgende lagen toegevoegd om een ​​product te creëren. Bij subtractieve productie wordt daarentegen materiaal uit bestaande onderdelen verwijderd om ze in de gewenste vorm te brengen. Deze fundamentele benaderingen worden op grote schaal gebruikt in de productie-industrie vanwege de flexibiliteit en uitzonderlijke nauwkeurigheid van het materiaal. Daarnaast zijn deze technieken geëxplodeerd als economische opties voor grote batches. 

Hoewel er veel productietechnieken bestaan, zijn CNC-bewerkingen en 3D-printen de twee meest toegepaste vanwege hun veelzijdige voordelen. Laten we de verschillen daartussen evalueren;

Tabel: Additieve versus subtractieve productie

Gerelateerd aan: CNC-bewerking versus 3D-printen: een diepgaande vergelijking

Toepassingen van 3D-printen

3D-printtechnologie is zo wijdverspreid in verschillende productiesectoren. Het wordt enorm gebruikt in de luchtvaart-, automobiel-, bouw-, gezondheidszorg-, prototyping- en productie-industrie.

Luchtvaart

In de luchtvaart- en defensie-industrie heeft 3D-printtechnologie een nauwkeurige manier geïntroduceerd om kritische onderdelen van vliegtuigen vorm te geven. Deze industrieën vereisen complexe vormen en lichtgewicht onderdelen om de functionaliteit en prestaties van verschillende motorcomponenten te verbeteren. Daarom profiteren OEM-ontwerpers en leveranciers van de economische levensvatbaarheid om lichtgewicht onderdelen in een korte doorlooptijd te produceren. Enkele voorbeelden zijn onder meer beugels, steunen, turbinebladen en centrale frames, functionele prototypes en structurele componenten voor verdedigingssystemen. 

Automobile

3D-printen heeft de auto-industrie doen exploderen door het leveren van snelle prototyping en lichtgewicht componenten, vooral voor raceauto's. De gevestigde sectoren zoals Mitsubishi en Chemical, of BASF, hebben de 3D-printtechnologie al geïntroduceerd. Over het algemeen wordt Fused Deposition Modeling gebruikt om aangepaste 3D-printprototypes en onderdelen voor eindgebruik te bouwen. Enkele veelvoorkomende voorbeelden zijn autodashboards, HVAC-kanalen, ventilatieopeningen en prototype-accessoires voor interieurstoelen. 

Prototyping en productie

3D geprinte prototypes

Vergeleken met 3D-printen versus. Spuitgieten, de productie van spuitgietmatrijzen duurt doorgaans enkele weken. Daarom zijn deze mallen over het algemeen duurder dan 3D-printen en kosten ze tussen de 100 en 1000 euro. Zoals hierboven besproken, is het primaire doel van het gebruik van 3D-printen het creëren van prototypen met complexe vormen. Verder, 3D-geprinte katten, stijlvol complexe modellen voor consumenten en architectonische behoeften kunnen worden gerealiseerd door middel van 3D-printen. 

Deze geavanceerde functietechnieken kunnen binnen een paar uur onderdelen leveren, en dat allemaal tegen een betaalbaar budget. Bovendien is 3D-printen op maat ideaal voor het maken van prototypes voor het testen en herhalen van vroege ontwerpen. De meest winstgevende technieken voor het maken van prototypes zijn SLS en DMLS. 

Medicare

3D-geprinte botstructuur

In de gezondheidszorg worden 3D-printers gebruikt voor het ontwerpen van apparaten voor de orthopedie en implantaten om metalen tandkronen te gieten. Bovendien helpt het bij het vervaardigen van gereedschappen en steigerstructuren van menselijke structuren. Deze steigers bieden cellen en weefsels een raamwerk om weefsels te laten groeien en regenereren. Bovendien helpt 3D-printen op maat bij het repliceren van gepersonaliseerde protheses en patiëntspecifieke apparaten; zoals; hoortoestellen en steunzolen. Daarnaast dragen 3D-geprinte botten, huid, weefsel en organen ook bij aan de zorg van de patiënt. 

3D-printtechnologie voor de bouw

3D-printtechnologie voor de bouw

De bouwsector maakt doorgaans gebruik van 3D-printers voor de bouw voor krachtbinding en spuitvooruitzichten. Deze printers werken met gecontroleerde robotarmextruders en portaalsystemen om op een zachte manier constructiemodellen, kleine constructies en bouwcomponenten te creëren. Daarnaast is 3D-printen een economische oplossing om complexere bouwpatronen te creëren en de functionele integratie te verbeteren door verspilling en mankrachtvereisten te minimaliseren. 

3D-printdiensten bij Prolean

Prolean biedt betaalbare en eersteklas 3D-printen prototyping-diensten. Onze experts helpen u bij het maken van een verstandige materiaalkeuze en bieden hulp bij ontwerpverbeteringen voor optimale resultaten. Onze faciliteit is uitgerust met een geavanceerde 3D-printer en biedt een heleboel materiaalopties waaruit onze gewaardeerde klanten kunnen kiezen. 

Of het nu gaat om de complexe productie van prototypen of massaproductie, wij kunnen in korte tijd aan uw eisen voldoen zonder concessies te doen aan de kwaliteitsnormen. Neem nu contact met ons op en ontvang uw instant 3D-afdrukservice citaat!

Opsommen

3D-printen biedt verschillende voordelen bij het snel vervaardigen van prototypes voor medische, luchtvaart- en auto-onderdelen. Deze additieve productietechniek maakt gebruik van meerdere 3D-printmaterialen, van kunststoffen, keramiek en eetwaren tot exotische metalen zoals; titanium, wolfraam en koper. 

Deze printers hebben de mogelijkheden vergroot om verschillende componenten te vervaardigen en te voldoen aan de eisen van de aftermarket die ooit moeilijk waren voor conventionele technieken zoals gieten, machinaal bewerken en spuitgieten. Bovendien verkortten ze de productiecyclustijden. Dit artikel bevat een uitgebreid overzicht van de 3D-printtechnologie vanuit een dieper aspect. U kunt dus waardevol inzicht krijgen in de opkomst van 3D-printtechnologie en het nut ervan. 

Veelgestelde vragen

Q1. Wat zijn de beperkingen van 3D-printen?

Naast de voordelen kent 3D-printen ook enkele beperkingen. Deze omvatten; beperkte materiaalopties, vereisten voor nabewerking en hogere kosten bij hoge volumes. 

Vraag 2. Welke plastic materialen zijn flexibel voor 3D-printen?

Thermoplastische materialen worden als compatibel beschouwd, en flexibele 3D-printmaterialen. Enkele van de meest voorkomende zijn; polyurethaan, polycarbonaat en hoogwaardige kunststoffen zoals PEEK en polymelkzuren (PLA). Onder deze PLA-filamenten worden de meeste geëxtrudeerd in 3D-printtoepassingen. Leer meer over 3D-printen onder de knie krijgen: een gids voor de beste PLA-materialen.

Q3. Zijn er nog verdere ontwikkelingen naast 3D-printen?

Ja, de toekomst biedt nieuwe ontwikkelingen zoals 4D- en 5D-printen in additive manufacturing. Deze innovaties zullen waarschijnlijk bijdragen aan het verminderen van het gewicht van componenten en het optimaliseren van de prestaties van 3D-printers om producten in een korte periode te leveren. 

Q4. Wat zijn de voordelen van 3D-printen?

3D-printers bieden volledige maatwerk bij het vervaardigen van onderdelen. Deze printers volgen geautomatiseerde richtlijnen om producten feilloos te maken. Ook uitermate geschikt voor het ontwerpen van prototypes voor diverse eindproducten voor industrieel gebruik. 

Vraag 5. Wat zijn de belangrijkste problemen die worden veroorzaakt tijdens de productontwikkeling van 3D-printen?

Hoewel 3D-printers nauwkeurig zijn en complexe vormen nauwkeurig produceren, zijn procesparameters zoals temperatuur, printsnelheid en het verstrikt raken van filamenten de belangrijkste problemen tijdens het 3D-printproces.  

Informatiebronnen

1. Shahabudin, TC Lee, R. Ramlan, (2019): Een overzicht van 3D-printtechnologie: technologie, materialen en toepassingen, Procedia Manufacturing; Opgehaald van: Science Direct.