3D-printen

De printwereld heeft een grote sprong voorwaarts gemaakt met de ontwikkeling van 3D-printen. Het 3D-printproces is een mijlpaal die voor een breed scala aan bedrijven van groot belang is. Alle leveranciers of fabrikanten van reserveonderdelen, kleine series of zelfs prototypes kunnen deze sneller en eenvoudiger produceren, waardoor bedrijfsprocessen enorm zijn versneld en vereenvoudigd door het 3D-printproces. Bij print24 kun je ontdekken wat precies wordt bedoeld met 3D-printen, waar de oorsprong ervan ligt, welke verschillende processen beschikbaar zijn en wat de voordelen zijn!

Definitie van 3D-printen

3D-printen wordt ook wel additieve of generatieve productie genoemd. Het idee achter dit productieproces is om een numeriek model om te zetten in een driedimensionaal model. Bovendien behoort het tot de steeds veranderende productieprocessen, wat betekent dat uit een vormloos lichaam een massief lichaam wordt vervaardigd. Het lichaam heeft een geometrisch gedefinieerde vorm. Samenvattend is 3D-printen dus het creëren van fysieke objecten uit digitale bestanden. De digitale gegevens worden gegenereerd door CAD-modellering, gegevens van 3D-scanners of 3D-modellering, maar de 3D-printer kan deze niet rechtstreeks lezen. Hiervoor is software nodig die de geometrische vorm via de G-code vertaalt naar de machinetaal van de printer. De software wordt een ‘slicer’ genoemd, die het 3D-object in afzonderlijke lagen verdeelt. Vervolgens wordt het object opgebouwd/geprint. laag voor laag, vandaar de naam Additive Manufacturing. Dit in tegenstelling tot subtractieve productie, waarbij materiaal uit bestaande objecten wordt verwijderd. De afdruk van een 3D-printer is driedimensionaal, dat wil zeggen dat het object een vooraf gedefinieerde breedte, lengte en hoogte heeft. de 3D-printer werkt naast de twee gebruikelijke horizontale assen (X- en Y-as) met een verticale as (Z-as).

De structuur en functie van een 3D-printer

Bij 3D-printers kun je onderscheid maken tussen open en gesloten printers, complete apparaten en kits. Hoewel de meeste compleet geleverd worden, moeten kits eerst door de gebruiker in elkaar gezet worden. Complete apparaten zijn doorgaans duurder dan kits, maar je bespaart jezelf de montage. Bij een gesloten 3D-printer is de installatieruimte gesloten. Afhankelijk waar de printer gebruikt gaat worden, kan er gekozen worden voor een open of gesloten versie. In principe bestaat een 3D-printer uit een print/warmtebed, ondersteuning structuur, printobject, nozzle, ondersteuningsmateriaal en printmateriaal. Binnen een technologie kan de constructie echter enigszins verschillen. Volgens bovengenoemde constructie werkt een 3D-printer als volgt: eerst worden het verwarmingsbed en de nozzle opgewarmd, daarna wordt de verwarming bed beweegt omhoog naar de printkop. Gesmolten filament (speciale kunststoffen, metalen of andere materialen) wordt vervolgens op het verwarmingsbed aangebracht totdat de eerste laag is voltooid. Wanneer de eerste laag voltooid is, beweegt het verwarmde bed zich over een afstand van één laag af hoogte, hier gemeten in micron. De tweede filamentlaag wordt bovenop de vorige aangebracht en daarmee versmolten. Als er oversteekplaatsen zijn, is het mogelijk om een draagstructuur van hetzelfde of een ander materiaal te gebruiken, waarbij het alternatieve materiaal moet kunnen oplossen in water of zelfs een andere oplossing. De laatste stap wordt herhaald totdat het 3D-object voltooid is.

Soorten 3D-printprocessen

Hieronder worden de meest voorkomende 3D-printprocessen gepresenteerd. Naast de genoemde zijn er nog vele andere varianten. In principe kunnen de volgende 3D-printprocessen worden onderscheiden:

• Selectief lasersmelten (SLM)/selectief lasersinteren (SLS)
• Elektronenbundelsmelten (EBM)
• Modellering van gesmolten afzetting/fabricage van gesmolten filamenten (FDM/FFF)
• Stereolithografie (STL/SLA)
• Laseropbouwlassen
• Filmoverdrachtbeeldvorming (FTI)
• Digitale lichtverwerking (DLP)
• Multi Jet-modellering / Poly Jet-modellering

Bij het Selective Laser Melting-proces wordt een metaal bestaande uit een poeder aangebracht en door de laser gesmolten. Vervolgens wordt het gewenste printobject met de laagdikte verlaagd, opnieuw poeder aangebracht en versmolten. 3D-printen vindt plaats binnen een beschermende atmosfeer; metalen, kunststoffen, zand of keramiek kunnen worden verwerkt. Bij selectief lasersinteren (SLS) wordt daarentegen geen puur metaalpoeder gebruikt, maar wordt een bindmiddel toegevoegd. Ook wordt het speciale poeder slechts gedeeltelijk gesmolten, waardoor het materiaal aan elkaar plakt. Elektronenstraalsmelten (EBM) maakt ook gebruik van poeder en verwerkt dit op dezelfde manier als selectief lasersmelten, behalve dat er een elektronenstraal wordt gebruikt in plaats van een laser. Een magnetisch ondersteunde veer positioneert en stuurt deze.

Bij de toepassing van Fused Deposition Modelling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF) wordt eerst een speciale kunststof verwarmd en vervolgens wordt het 3D-object in vellen geprint. Bij dit proces wordt het filament via een spoel naar de spuitmond getransporteerd, vanwaar het op de bouwplaat wordt aangebracht, waar het direct stolt. Omdat het oppervlak van het object na productie vaak wat ruw is, moet het opnieuw worden bewerkt. Het resultaat van het precisiewerk is bevredigend. Het uitharden van vloeibaar plastic met behulp van UV-licht vindt plaats in het proces van stereolithografie (STL/SLA). Het 3D-object wordt geproduceerd in een bad van vloeibaar plastic, waarbij een laser de afzonderlijke lagen uithardt. Eventueel gebruikte steunstructuren worden na voltooiing verwijderd en het 3D-object wordt uitgehard. De modellen hebben een zeer hoge nauwkeurigheid. Bij laseropbouwlassen wordt gebruik gemaakt van een diode- of fiberlaser. Met behulp van een mondstuk wordt een metaalpoeder of metaaldraad op het werkstuk aangebracht. Bij gebruik van het poeder werkt de 3D-printer volledig automatisch, waardoor hij geschikt is voor gebruik bij componentreparatie of prototypeproductie.

Bij Film Transfer Imaging (FTI) wordt een dunne film materiaal op een transportfolie aangebracht. Door middel van belichting ontstaan de lagen, waarna het werkstuk wordt opgetild en vervolgens een nieuwe film wordt aangebracht. Dit proces gaat door totdat het 3D-object is voltooid, wat een zeer hoge nauwkeurigheid heeft. In FTI worden lichtgevoelige kunststoffen als filament gebruikt. Bij Digital Light Processing (DLP) wordt het 3D-object gemaakt vanuit een plastic bad. Het proces is een mix van STL en FTI 3D-printtechnologie, waarbij de FTI-technologie wordt gebruikt zoals bij RTI. Multi Jet Modelling/Poly Jet Modelling daarentegen maakt gebruik van een techniek die vergelijkbaar is met die van de inkjetprinter. Hierbij worden meerdere spuitmondjes aan een printkop bevestigd, die vervolgens het 3D-model laag voor laag print. De modellen kenmerken zich door een zeer hoog detailniveau en als filamenten worden UV-gevoelige fotopolymeren gebruikt, die met licht worden uitgehard.

De materialen voor 3D-printprocessen

Door de vooruitgang van de technologie moest het materiaal voor 3D-printen in de loop der jaren steeds opnieuw worden aangepast. De belangrijkste gespecialiseerde materialen zoals kunststoffen of metalen presenteren wij hieronder:

Kunststoffen voor 3D-printen

PLA (polyactide) is een van de meest populaire materialen voor 3D-printen. De synthetische polymeren behoren tot de groep polyesters, worden verkregen uit maïszetmeel, d.w.z. regeneratieve grondstoffen, en zijn biocompatibel en recyclebaar. PLA kan al worden verwerkt bij lage smelttemperaturen van 70 °C en blijft in de regel ook bij afkoeling vormvast. Deze twee eigenschappen maken PLA aantrekkelijk voor zowel particuliere als professionele gebruikers. PLA is nu verkrijgbaar in veel verschillende kleuren. Het enige nadeel van het materiaal is dat het slechts in geringe mate robuust en hittebestendig is, waardoor het niet geschikt is voor de productie van sterk belaste componenten.

ABS (acrylonitril-butadieen-styreen) is het op een na meest gebruikte kunststofmateriaal bij 3D-printen en is tevens een synthetisch polymeer. Het is gemaakt van acrylonitril, 1,3 butadieen en styreen. Voordelige eigenschappen zijn de sterkte, stijfheid en taaiheid van het materiaal. Het kan worden gebruikt voor prototyping en de vervaardiging van eindproducten. ABS wordt geprint bij 220 tot 250 °C en moet worden geprint in een verwarmde printkamer of printbed. Hierbij kunnen de vervaardigde voorwerpen afkoelen en kunnen vervormingen worden vermeden. Net als PLA is ABS verkrijgbaar in verschillende kleuren en relatief goedkoop, maar vanwege de hoge temperaturen die bij 3D-printen gepaard gaan, is het minder populair bij particuliere gebruikers. Het heeft ook niet voldoende weersbestendigheid.

PEEK (polyetheretherketon) zijn synthetische polymeren uit de polyetherketongroep. Ze kunnen worden gebruikt om zeer veerkrachtige en temperatuurbestendige objecten te printen. Ze zijn ook biocompatibel en bestand tegen chemicaliën. De thermoplastische PEEK is ca. 70% lichter dan metalen met vergelijkbare eigenschappen, maar heeft een vergelijkbare mechanische en thermische stabiliteit. De automotive sector, de chemische industrie en de lucht- en ruimtevaartindustrie maken daarom bij voorkeur gebruik van PEEK. Het wordt gedrukt bij 360 tot 380 °C en is daarom niet erg geschikt voor privégebruik.

HIPS (High Impact Polystyreen) behoort ook tot de thermoplastische polymeren en wordt geproduceerd door polybutadieen te polymeriseren tot polysterol. Het heeft een hoge slagvastheid en hardheid en kan worden opgelost in chemicaliën. Dit maakt het bijzonder geschikt als dragermateriaal voor andere polymeren. Het wordt chemisch verwijderd, zodat zelfs strikte toleranties in de vervaardigde componenten kunnen worden gehandhaafd.

PA (nylon/polyamide) heeft een hoge treksterkte, smelt bij 250 °C en is niet giftig. 3D-objecten gemaakt met nylon zijn sterk en schadebestendig. Nylon wordt niet beschadigd door de meest voorkomende chemicaliën en is goedkoop. Het nadeel van dit materiaal is echter dat het vanwege de hoge smelttemperaturen nauwelijks geschikt is voor privégebruik en zowel een verwarmd printbed als witte lijm vereist zodat het tijdens het 3D-printen aan het printbed blijft plakken.

De meeste mensen zijn waarschijnlijk bekend met PET (polyethyleentereftalaat) uit drankflessen. Hier ligt ook het voordeel, want PET is voedselveilig en kan gebruikt worden voor verpakkingen. Omdat er tijdens het smeltproces geen dampen ontstaan, is voor 3D-printen met PET geen verwarmde printruimte nodig. Dit maakt de applicatie populair in de particuliere sector. 3D-objecten gemaakt van PET zijn relatief robuust maar tegelijkertijd ook flexibel.

PETG (PET met glycol) bereikt door modificatie met glycol een hoge transparantie van het materiaal. Dit verbetert ook de printeigenschappen. Dit resulteert in een lagere smelttemperatuur en minder kristallisatie. PETG kan sneller worden geëxtrudeerd dan PET en is weerbestendig. Daarom wordt het vaak gebruikt voor tuinmeubelen en -gereedschappen, maar ook voor vazen.

Metalen voor 3D-printen

Naast de genoemde kunststoffen kunnen ook metalen worden gebruikt bij 3D-printen.

Aluminium of aluminiumlegeringen zijn overtuigend bij 3D-printen vanwege hun sterkte en goede thermische eigenschappen. Bovendien zijn de 3D-objecten licht en flexibel te bewerken. De automobiel-, ruimtevaart- en luchtvaartindustrie profiteren van het gebruik van aluminiumlegeringen; motoronderdelen, behuizingen, mallen, prototypes, luchtkanalen en nog veel meer worden geproduceerd met behulp van 3D-printen.

Titanium of titaniumlegeringen behoren tot de bekendste in 3D-printen met metalen. Het heeft uitstekende mechanische eigenschappen en tegelijkertijd slechts een laag soortelijk gewicht. Het materiaal is corrosiebestendig en kan in veel omgevingen met hoge technische eisen worden toegepast, zoals in de luchtvaart. Medische apparaten, reserveonderdelen, functionele prototypes of eindgebruikersonderdelen zijn de meest voorkomende 3D-objecten gemaakt van titaniumlegeringen.

Een ander metaal dat bij 3D-printen wordt gebruikt, is roestvrij staal/roestvrij staallegering. Het bevat een laag koolstofgehalte en is zeer corrosiebestendig. Op de juiste wijze vervaardigde onderdelen hebben ook een uitstekende sterkte, goede thermische eigenschappen en een hoge ductiliteit. 3D-printen met RVS wordt bij voorkeur toegepast voor machineonderdelen of voedselveilige toepassingen.

Naast kunststoffen en metalen behoren ook keramiek, zand, beton en glas tot de materialen die worden gebruikt bij 3D-printen.

De geschiedenis van 3D-printen - wie heeft de 3D-printer uitgevonden?

De geschiedenis van 3D-printen gaat terug tot de 19e eeuw. In 1859 vond de Fransman François Willème, werkzaam als fotograaf en beeldhouwer, een apparaat uit dat het mogelijk maakte om met behulp van meerdere camera's een 3D-model te maken. In 1892 vroeg de Oostenrijker Joseph E. Blanther patent aan voor de productie van reliëfkaarten. Voor de vervaardiging van deze kaarten werden destijds wasplaten gelamineerd en daaruit de gewenste vorm uitgesneden en op elkaar geplakt. Hierdoor ontstond de 3D-kaart via verschillende lagen.

Nadat er in de 20e eeuw decennialang geen verdere ontwikkeling van 3D-printen meer bekend was, vroeg de Japanse uitvinder Hideo Kodama in 1980 uiteindelijk een nieuw patent aan: hierin beschreef hij hoe een fotopolymeermateriaal uithardt met behulp van UV-licht en op deze manier een model ontstaat laag voor laag, wat vergelijkbaar is met het principe van stereolithografie. Omdat hij vanwege financiële problemen de octrooiaanvraag niet kon blijven betalen, verloor hij zijn bekendheid. In 1984 probeerden de Fransen Alain le Méhauté, Olivier de Witte en Jean-Claude André patent te krijgen op het proces waarbij een vloeistof met een lichtbron wordt verhard. Ze noemden dit ook wel stereolithografie. Het gecontacteerde onderzoeksinstituut kon het potentieel van de uitvinding echter niet inzien en stopte het project. Uiteindelijk was het de Amerikaan Chuck W. Hull die drie weken later patent aanvroeg. Hij had in 1981 al de stereolithografie uitgevonden, die in 1983 voor het eerst in de praktijk werd gebracht. In 1985 was het eerste 3D-ontwerpprogramma beschikbaar en in 1986 richtte hij het inmiddels wereldberoemde bedrijf 3D Systems op. In 1988 kwam de eerste 3D-printer (SLA-1-machine) op de markt.

In 1992 werd bij DTM de eerste selectieve lasersintermachine geproduceerd, die volgens het proces poeder met laserlicht bestraalde. Dit werd gevolgd door een 3D-printer van Z Corp, die gebruik maakte van het binderjetting-proces. Eind jaren negentig konden naast kunststoffen ook metalen worden verwerkt en kwamen er meer CAD-programma's op de markt. In de jaren 2000 kwam de additieve productie in een stroomversnelling, wat zijn intrede deed in de geneeskunde. Voor het eerst werd een 3D-geprint orgaan in een mens geïmplanteerd. De jaren 2000 werden gekenmerkt door verdere ontwikkelingen. 3D-printers konden nu onderdelen produceren voor andere 3D-printers en ze betreden de werkvloer. Vanaf 2010 konden de nieuwe modellen ook autoprototypes printen, er ontstonden 3D-voedselprinters, de eerste 3D-geprinte componenten voor ruimtestations en kaak- en botprothesen. Op dezelfde manier profiteerden kleine en middelgrote ondernemingen van 3D-printen, waardoor ze goedkoper prototypes konden produceren. Het meest productieve productieproces voor additieve kunststoffen is momenteel het Multi Jet Fusion-proces, waarbij de resulterende objecten een homogeen oppervlak en een vrijwel poriënvrije materiaaldichtheid hebben.

Dus wat brengt de toekomst? Het is zeer waarschijnlijk dat de technologie van 3D-printen zich zal ontwikkelen richting massaproductie, omdat steeds meer materialen in kortere tijd en in hoge kwaliteit kunnen worden geprint.

Hoogwaardig drukwerk bij print24

Bij ons kunt u uw gewenste object laten bedrukken voor reclamedoeleinden of voor uw dagelijkse kantoorleven. print24 biedt u een enorm assortiment printproducten, die wij u snel en in hoge kwaliteit leveren. Ook grootformaat printobjecten, textielproducten of fotoproducten behoren tot ons assortiment. Kies eenvoudig de gewenste printproducten en ontwerp ze individueel!