Hoe werkt 3D-printen?

Een van de methoden voor additieve productie is 3D-printen. Het is 'additief' in de zin dat het simpelweg lagen materiaal stapelt en samenvoegt om daadwerkelijke objecten te creëren, in plaats van een blok materiaal of een mal nodig te hebben. Het kan complexere geometrieën bouwen dan 'conventionele' technologieën, is vaak snel, heeft lage vaste instelkosten en werkt met een steeds groter wordend scala aan materialen. De technische sector maakt er veelvuldig gebruik van, met name bij het maken van prototypes en het ontwikkelen van lichtgewicht geometrieën.

Additieve productie en 3D-printen

De term "3D-printen" wordt vaak in verband gebracht met de makercultuur, amateurs en liefhebbers, desktopprinters, toegankelijke printtechnieken zoals FDM en goedkope materialen zoals ABS en PLA. Dit komt deels door de betaalbare desktopprinters die voortkwamen uit de RepRap-beweging, zoals de originele MakerBot en Ultimaker, die bijdroegen aan de democratisering van 3D-printen en de 3D-printboom van 2009.

3D-printtechnologie: de toekomst van innovatieve productie

3D afdrukken geschiedenis

3D-printconceptproducten begonnen in de jaren 70. In 1981 probeerde de Japanse wetenschapper Dr. Kodama, die als eerste de laag-voor-laag printmethode beschreef, 3D-printen uit en ontwikkelde hij eigenhandig de SLA (stereolithografie) 3D-printtechnologie: lichtgevoelige hars die wordt gepolymeriseerd door ultraviolet licht.

Een paar jaar later deed de Amerikaanse wetenschapper Charles Hull ook diepgaand onderzoek naar de technologie van SLA en diende in 1986 het eerste patent voor SLA in. Hij richtte 3D Systems op en bracht in 1988 zijn eerste commerciële product, de SLA-1, uit. (zie afbeelding hieronder)

SLA kan worden beschouwd als de vroegst ontwikkelde 3D-printtechnologie, dus wanneer kwamen SLS (Selective Laser Sintering) en FDM (Fused Deposition Modeling) later?

In 1988 patenteerde de Amerikaan Carl Deckard de SLS-technologie aan de Universiteit van Texas, een andere 3D-printtechniek waarbij een laser lokaal poederdeeltjes samensmelt om te printen. In hetzelfde jaar vroeg Scott Crump, een van de oprichters van Stratasys, patent aan voor fused deposition modeling (FDM). Van 1980 tot 1990 werden alle drie de belangrijkste technologieën voor 3D-printen gepatenteerd, wat het begin markeerde van een periode van snelle ontwikkeling in deze industrie.

In Europa heeft EOS GmbH een ontwerpsysteem voor 3D-printen ontwikkeld: het Stereos-systeem. Tegenwoordig worden de 3D-geprinte modellen in de industriële sector wereldwijd gebruikt voor de SLS 3D-printtechnologie (Selective Laser Sintering) voor kunststoffen en metalen.

In 1992 werd het patent op de FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printtechnologie verleend door Stratasys, die 3D-printers ontwikkelde om te voldoen aan de verschillende behoeften van veel professionals en particulieren.

Van 1993 tot 1999 ontstonden er diverse technologieën in de 3D-printindustrie. Tegelijkertijd werden er steeds meer nieuwe CAD- en 3D-modelleringssoftware ontwikkeld, zoals Sanders Prototype (nu Solidscape), een van de eerste deelnemers.

3D-printen: toepassingen in meerdere vakgebieden

In 2008 kwam de eerste 3D-geprinte prothese uit, wat het aandeel van 3D-printen in de media verder deed toenemen. Mensen ontdekten dat 3D-printen niet alleen traditionele onderdelen kan printen, maar ook kan worden toegepast op de reparatie van het menselijk lichaam. Dit verbazingwekkende medische 3D-printproject combineert alle onderdelen van een biologisch ledemaat en kan "zoals het is" worden geprint, zonder verdere assemblage. Tegenwoordig worden 3D-geprinte medische prothesen en ortheses, in combinatie met 3D-scannen, steeds goedkoper en sneller om aan de behoeften van patiënten te voldoen. Bovendien worden deze prothesen steeds beter geoptimaliseerd en aangepast aan de morfologie van de patiënt. 3D-printen biedt nieuwe mogelijkheden voor massapersonalisatie. (afbeelding toevoegen)

2009 was het jaar waarin FDM-patenten massaal werden geconsumeerd, wat een nieuwe weg opende voor uitgebreide innovatie van FDM 3D-printers. Naarmate de prijs van desktop 3D-printers daalde, konden steeds meer mensen de ontwikkeling van de 3D-printindustrie volgen.

In 2013 noemde de Amerikaanse president Barack Obama 3D-printen in zijn State of the Union-toespraak de belangrijkste productiemethode van de toekomst, waardoor "3D-printen" een absolute buzzword werd. Nu is het een prominente plaats in het publieke bewustzijn. Steeds meer kleine en middelgrote bedrijven maken gebruik van de voordelige prototyping die 3D-printen biedt en integreren het volledig in hun iteratie-, innovatie- en productieprocessen.

3D-geprinte conceptwagen

Wat bouwtoepassingen betreft, zijn 3D-geprinte huizen nu realiteit. Mensen trokken in 2018 voor het eerst in 3D-geprinte huizen. Het huis heeft een oppervlakte van 95 vierkante meter, wat zeer leefbaar is. Het printen duurde in totaal twee dagen.

Het classificatiesysteem van 3D-printen op de overeenkomsten en verschillen tussen productie en 3D-printen

Neem bijvoorbeeld de uitgeholde bal. Er zitten meer dan een dozijn bloemen op het oppervlak. Als het met traditionele machinale bewerking wordt verwerkt, is het erg lastig en moeten de patronen één voor één worden aangepast. En als je kiest voor 3D-printen, is er geen materiaalverspilling. Daarom wordt het ook wel additieve productie genoemd, wat betekent dat de methode van geleidelijke materiaalaccumulatie wordt gebruikt om fysieke onderdelen te vervaardigen. De traditionele methode is om eerst het embryo te maken, vervolgens het overtollige materiaal te verwijderen en het resterende materiaal de gewenste vorm te geven. Als er een probleem wordt gedetecteerd, is het nodig om een ​​mal te openen en deze aan te passen; terwijl 3D-printen gebruikmaakt van geleidelijke materiaalaccumulatie, kun je het eindproduct snel zien.

Realisatie van 3D-printtechnologie

3D-printtechnologie wordt toegepast op industriële productie. 3D-printen maakt niet gebruik van het fysieke object, maar van het digitale model. Als je het echte object voor je neus wilt 3D-printen, moet je een computer gebruiken om het te modelleren, of een 3D-scanner gebruiken om het echte object, oftewel een 3D-model, te digitaliseren. Je kunt dingen in slechts vijftien minuten printen. Momenteel wordt 3D-printtechnologie onderverdeeld in vier hoofdcategorieën: FDM, DLP/SLA en SLS.

SLS - lasersintergietproces

SLS is een relatief hightech poeder dat smelt onder de hoge temperaturen van laserbestraling. Verspreid een dunne laag poeder op de werkbank en scan de dwarsdoorsnede van de laag met de laserstraal om de temperatuur te verhogen tot het smeltpunt. Zo wordt het sinteren en hechten gerealiseerd. Herhaal het verspreiden, sinteren, slijpen en drogen van het poeder totdat het model is gevormd. 3D-printen is in feite 2D-printen, steeds opnieuw. Als je een object heel dun snijdt, zul je zien dat elk onderdeel een vorm heeft. Als je alle vormen samenvoegt, krijg je een driedimensionaal object. Daarom gebruiken we lasers om afbeeldingen te tekenen. De weerstand van SLS-gegoten onderdelen tegen de omgeving (temperatuur, vochtigheid en chemische corrosie) is vergelijkbaar met die van thermoplastische materialen; de weerstand van SLA-gegoten onderdelen is daarentegen relatief laag. Zo zijn SLA-werkstukken die met epoxyhars zijn gegoten gevoelig voor vocht en chemicaliën. Corrosie: het zal zacht worden en kromtrekken in een omgeving boven 38 °C, maar de vormnauwkeurigheid is hoog.

SLA - stereolithografisch gietproces

SLA is een lichtuithardingstechnologie die momenteel relatief ver ontwikkeld is in China. "Stereolithografie" is een techniek waarbij de laserstraal de vorm van de eerste laag van het object op het oppervlak van de vloeibare hars aftekent, waarna het productieplatform een ​​bepaalde afstand (tussen 0,05 en 0,025 mm) wordt verlaagd en de gestolde laag in de vloeibare hars wordt ondergedompeld, enzovoort. De gebruikte hars is een lichtgevoelige hars, die na bestraling met de laserstraal een vaste toestand aanneemt, en het model wordt snel en nauwkeurig gevormd.

DLP - stereolithografie-gietproces

DLP digitale lichtverwerking, ook wel bekend als laservormgevingstechnologie. DLP 3D-printtechnologie heeft veel overeenkomsten met SLA 3D-printtechnologie. Als productie wordt vergeleken met het tekenen van een cirkel met een potlood, dan staat SLA-technologie gelijk aan laag voor laag tekenen, terwijl DLP gelijk staat aan direct stempelen. De massaproductie die we nastreven heeft twee zeer belangrijke punten: efficiëntie en materiaalkosten. Er is een 3D-printer die honderden keren sneller kan printen dan traditionele productie, namelijk de face-to-face-technologie, die is ontwikkeld door een bedrijf in Shenzhen, Light Prism Technology. Het duurt 2-5 uur om een ​​holle bal te printen met traditionele FDM 3D-printing, en het duurt maximaal een uur, maar met de nieuwste face-to-face-technologie duurt het slechts ongeveer 10 minuten. De printsnelheid is verbluffend. Zodra deze 3D-printtechnologie op de markt is, is de impact op traditioneel handwerk nog steeds groot.

FDM - Fused Deposition Moulding-proces

Vergeleken met DLP- en SLS-technologieën is FDM-technologie relatief eenvoudig, waardoor het een groot publiek heeft en gemakkelijker in de familie kan worden opgenomen. Het prototype wordt direct opgebouwd uit de 3D CAD-gegevens door het thermoplastische materiaal te extruderen tot een halfgesmolten filament, dat laag voor laag wordt aangebracht. De voordelen van FDM-technologie zijn een eenvoudige mechanische structuur, eenvoudig ontwerp, lage productie-, onderhouds- en materiaalkosten, en geen vervuiling van het milieu. Daarom is FDM ook de meest gebruikte technologie in huishoudelijke desktop 3D-printers. Het is een relatief traditionele printmethode, die geen laser gebruikt en goedkoop is, maar de nauwkeurigheid is niet hoog en de printsnelheid is erg laag. Dit is de meest toegankelijke methode voor iedereen en wordt over het algemeen gebruikt in het onderwijs.

De impact van 3D-printen op productie en traditioneel vakmanschap

Voordelen van 3D-printen

(1) Aanpassing

Neem bijvoorbeeld de tandheelkunde: ieder mens heeft een ander gebit. Met 3D-printen kan de tegenstelling tussen maatwerkproductie en massaproductie worden opgelost. Op maat gemaakte implantaten, beugels en dergelijke kunnen massaal worden geproduceerd.

(2) realtime monster

Dankzij de hoge snelheid van 3D-printen ontwerpt de ontwerper 's ochtends een versie van het product, waarna de leider het eindproduct om 12.00 uur kan bekijken. Om 18.00 uur ontwerpt hij een andere versie en kan hij het eindproduct de volgende ochtend bekijken. Dit versnelt de ontwikkeling van nieuwe producten aanzienlijk. Als het niet bijzonder ingewikkeld is, kan 3D-printen in 3 uur een eindproduct produceren, terwijl traditioneel proefdrukken telkens 4-6 weken duurt. De algehele snelheid van industrieel ontwerpen neemt dus ook toe.

(3) Geen vervuiling

 Omdat alle geproduceerde grondstoffen milieuvriendelijk zijn, is het hele productieproces vervuilingsvrij. Er is geen vervuiling door rookgas en afvalwater, en er is geen verspilling van restmaterialen.

(4) Dataïsering

Naarmate de digitale tandheelkunde volwassen wordt, zullen de technische eisen voor artsen aanzienlijk afnemen. Patiënten hoeven het instrument slechts twee minuten in het ziekenhuis te gebruiken om te scannen en kunnen zo de oorzaken en oplossingen van alle tandheelkundige problemen leren kennen.

Daarnaast kan 3D-printen ook worden gebruikt voor orthodontie, waarbij gepersonaliseerde en op maat gemaakte transparante beugels worden geprint. Moeten de tanden tijdens plastische chirurgie naar links of naar voren worden verplaatst? Hoeveel millimeter moeten ze worden verplaatst? Vroeger was de tandheelkundige ingreep uitsluitend gebaseerd op de persoonlijke ervaring van de arts, maar digitale tandheelkunde heeft de stabiliteit van de operatie vergroot en de technische drempel voor artsen verlaagd.

(5) Snel

 Vergeleken met traditionele industriële processen vereist 3D-printen geen voorbereidingen zoals mankracht en transport. Er zijn alleen machines en grondstoffen nodig en de productie kan snel worden gestart.

(6) Automatisering

 Je zou kunnen zeggen dat er maar één 3D-printer tussen de virtuele verbeelding en de werkelijkheid zit. De one-key productie van 3D-printen bespaart veel arbeidskosten en menselijke fouten.