3D-print technieken
OVERZICHT
Materialen smelten/extruderen
FDM (Fused Deposit Modeling) of FFF (Fused Filament Fabrication)
Een printkop wordt opgewarmd tussen de 210 en de 260°C (afhankelijk van het materiaal). Een rol kunststof, ook wel filament genoemd, wordt geleidelijk aangevoerd, duwt het door de printkop en verzacht de kunststof. De printkop verplaatst in de X- en Y richting terwijl het printbed geleidelijk naar beneden beweegt (Z richting).
Nadelen FDM
Overhang :
Een groot probleem van FDM 3D printen is de zogenaamde overhang. Vanaf het moment dat het 3D model een hoek kleiner dan 45° heeft is er niet voldoende ondersteuning en gaat de plastic hangen.
Support:
Een manier om overhang op te vangen is om ondersteuning (support) te laten printen die we na het printen kunnen afbreken.
Letter "T" zonder en met support
Warping:
Aangezien het geprinte stuk wordt afgekoeld tijdens het printen worden verschillende onderdelen van de print ongelijk gekoeld en treedt er krimp op. Deze krimp kan ervoor zorgen dat het stuk aan de zijkanten naar boven plooit.
Maatvastheid:
Omwille van de ongelijk gekoelde onderdelen zorgt de krimp ervoor dat elke laag die geprint wordt lichtjes vervormd. Deze vervorming tast de maatvastheid aan. Deze onnauwkeurigheid vindt minder plaats in de hoogte (Z-richting) dan in de lengte- breedte richting (X-Y richting).
Sterkte:
Omdat elke laag op een vorige laag wordt gelegd wordt de vorige laag wat samengedrukt om een hechting te verzekeren. Deze hechtingen zijn zwakke schakels en zorgen ervoor dat de het geprint stuk in de hoogte weinig trekkracht aankan.
Voordelen FDM
Goedkoop:
Filament 3D-printers zijn de goedkoopste 3D-printers op de markt. Ook het materiaal is in het algemeen goedkoper dan andere 3D print technieken.
Weinig nabewerking:
Het geprinte stuk is onmiddelijk bruikbaar zonder het te laten uitharden/opkuisen...
Vat Polymerisatie
SLA (Stereolithography)
SLA maakt gebruik van bewegende spiegels die een laser laat bewegen over de oppervlakte van een vat gevuld met een fotopolymeer hars. Op het punt dat de laser het polymeer raakt verhard de hars. Het printbed beweegt een laagdikte naar onder en een nieuwe laag wordt gelasered.
Nadelen SLA:
Overhang:
Ook bij SLA is het printen van support een must voor hoeken kleiner dan 45°.
UV laten uitharden:
Het is belangrijk dat het geprinte object wordt uitgehard onder UV licht om de optimale eigenschappen te verkrijgen.
Materiaalsterkte:
De fotopolymeer hars is een broos materiaal en niet echt geschikt voor belasting of duurzaamheid.
Voordelen SLA:
Maatvastheid:
SLA is wat de meest dimensie accurate 3D print techniek.
Mooie oppervlakte afwerking:
Door de gladde oppervlakte kwaliteit wordt SLA vaak gebruikt voor het printen van objecten waar een mooie afwerking nodig is.
Verschillende materialen:
De fotopolymeer harsen komen in verschillende uitvoeringen inclusief transparant.
Poeder binden
SLS (Selective Laser Sintering)
Een polymeer poeder (meestal PA 12 nylon) wordt opgewarmd tot juist onder het smeltpunt van het poeder. Er wordt een dun laagje van het poeder over het printbaar oppervlak verdeeld. Een laser tekent een printlaag op het poeder en deze gaat uitharden. Het printbaar oppervlak beweegt naar onderen de afstand van een laagdikte en het proces begint opnieuw.
Nadelen SLS
Afval:
Slechts 50% van het gebruikte poeder is herbruikbaar, wat meer afval produceert dan bv FDM. Omwille van deze reden is het interessanter om het print bed vol te leggen met 3D objecten zodat er minder poeder verloren gaat.
Nabewerking:
Bij het verwijderen van het object moet het overtollig poeder verwijderd worden. Hier kan het poeder in de lucht verspreiden en is het aangeraden om dit met mondmaskers te doen in een geventileerde ruimte.
Maatvastheid:
Bij de hechting aan een onderliggende laag die gekoeld is kan er krimp en krulling optreden.
Lange doorlooptijd:
Naast standaard lange print tijden moeten bij SLS lange opwarm- en afkoeltijden in rekening gebracht worden.
Voordelen SLS
Sterke objecten:
Doordat het poeder wordt voorverwarmd en daarna wordt bloodgesteld aan een laser worden de deeltjes in verschillende richtingen gebonden. De sterkt is dus niet afhankelijk van de richting waarin het object geprint wordt.
Geen overhang:
Aangezien het printen in een poeder gebeurd is er geen probleem met overhang en moet er dus geen extra support geprint worden.
Veel nabewerking mogelijk:
De nylon kan gekleurd, geschilderd, gelakt en metaal gecoat worden.
DMLS (Direct Metal Laser Sintering) en SLM (Selective Laser Melting)
Zowel DMLS als SLM gebruiken een 3D print techniek vergelijkbaar met SLS. Het grote verschil is dat ze metaal prints produceren I.p.v. nylon prints. Het verschil tussen DMLS en SLM is dat de eerste prints maakt van metaal legeringen, terwijl de laatste enkelvoudige metalen produceert. Zowel DMLS als SLM hebben support nodig tijdens het printen.
Nadelen DMLS/SLM
Support nodig:
Anders dan SLS is er wel structurele support nodig omwille van de hoge temperaturen en om ervoor te zorgen dat niet ondersteunde onderdelen zijn verbonden aan het print oppervlak.
Duur:
Zowel de 3D printers als het materiaal is zeer duur.
Klein print-oppervlak:
Het print oppervlak van zelfs de grootste DMMLS/SLM printers is klein ten opzichte van traditionele 3d printers.
Maatvastheid:
Bij de hechting aan een onderliggende laag die gekoeld is kan er krimp en krulling optreden.
Lange doorlooptijd:
Naast standaard lange print tijden moet bij SLS lange verwarm- en afkoeltijden in rekening worden gebracht.
Nabewerking:
Het stuk moet een warmtebehandeling krijgen na he printen.
Voordelen DMLS/SLM
Sterke/ complexe onderdelen:
Het printen van metalen onderdelen zorgt voor sterke, complexe onderdelen die niet via traditionele metaalproductie processen gemaakt kunnen worden.
Materiaal spuiten
PJ (Polyjet)
Een fotopolymeer jetting printer, kort polyjet, spuit een fotopolymeer op het printbed dat wordt uitgehard met een UV lichtbron. De spuitkop kan verschillende materialen tegelijk spuiten, dus kan er oplosbaar support samen met het print materiaal geprint worden. De printkop legt altijd heel de afstand af van het print bed, het print bed vol leggen zal de printsnelheid verhogen t.o.v. print technieken die object per object moeten printen.
Nadelen PJ
Broos materiaal:
De fotopolymeren zijn te broos om de prints te gebruiken als eindproduct.
Nabewerking breekbaar:
Om het support materiaal te verwijderen moet er gebruik gemaakt worden van waterjet. Aangezien het materiaal broos is bestaat de kans dat er stukken afbreken bij het opkuisen.
Uitharden van materiaal in de printer:
Een polyjet printer moet altijd aan staan. Als de printer wordt uitgeschakeld zonder de leidingen leeg te maken kan het materiaal uitharden en kunnen de spuitkoppen verstoppen. Het leeg maken van de leidingen laat veel materiaal verloren gaan.
Duur:
Zowel de 3D printer als het materiaal zijn veel duurder in vergelijking met FDM.
Volle prints:
In tegenstelling met FDM waar de prints zijn opgevuld met een rasterstructuur is de print bij polyjet printer altijd vol. Meer materiaal is dus nodig om eenzelfde object te printen.
Voordelen PJ
Maatvastheid:
Polyjet printing is één van de meest accurate technieken wat betreft maatvastheid. Het wordt dus vaak gebruikt om accurate prototypes te maken van objecten om daarna in productie te brengen.
Verschillende materialen tegelijk:
De spuitkoppen kunnen verschillende materialen tegelijk printen. Dit maakt het mogelijk om gekleurde objecten te printen in combinatie met rubber-achtig-, transparant- en zacht support materiaal.
Support:
De spuitkoppen kunnen zacht support materiaal printen dat geen sporen achterlaat als het is verwijderd.
Oppervlaktekwaliteit:
De prints hebben een zachte oppervlakte, vergelijkbaar met industrieel geproduceerde kunststof objecten.
Mat en glanzend:
De optie bestaat om een print mat of glanzend te printen.
Bindmiddel spuiten
BJ (Binder Jetting)
Vergelijkbaar met SLS wordt een poeder (zand, metaal) over het print oppervlak geschoven. Een printkop spuit een laag bindmiddel over het poeder dat het poeder de doorsnede van 1 laag van de print verbindt. Het print bed gaat 1 laag naar onder en het proces wordt herhaald. De printkop kan in verschillende kleuren spuiten, wat meerkleurige prints mogelijk maakt.
Nadelen BJ
Nabewerking:
Bij het verwijderen van het object moet het overtollig poeder verwijderd worden. Hier kan het poeder in de lucht verspreiden en is het aangeraden om dit met mondmaskers te doen in een geventileerde ruimte.
Breekbaar materiaal:
Als de print niet wordt nabewerkt is het zeer breekbaar. Metalen prints moeten uitharden in ovens voor ze voldoende functionele eigenschappen krijgen.
Voordelen BJ
Maatvastheid:
Er wordt geen warmte gebruikt bij BJ, wat het probleem van opwarmen en afkoelen wegneemt en zorgt voor maatvaste prints. De meeste vervorming gebeurd bij de nabewerking als een metalen print in een oven moet uitharden.
Kleur:
De inkjet spuitkop kan spuiten in verschillende kleuren (vergelijkbaar met een inkjet printer) en dus kan een print uit verschillende kleuren bestaan.
Poeder recycleerbaar:
Het niet gebruikte poeder kan 100% opnieuw gebruikt worden voor een volgende print.
3D print techniek beslissingsboom
Bronnen: The 3D printing Handbook; Ben Redwood, Filemont Schöffer, Brian Garret; 3D hubs