Hoe werkt 3D-printen?

Een van de methoden voor additieve productie is 3D-printen. Het is "additief" omdat het simpelweg lagen materiaal op elkaar stapelt en samensmelt 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 opstartkosten en werkt met een steeds groter wordend scala aan materialen. De ingenieurssector maakt er veelvuldig gebruik van, met name bij het prototypen en ontwikkelen van lichtgewicht geometrieën.

Additieve productie en 3D-printen

De term '3D-printen' wordt vaak geassocieerd met de maakcultuur, amateurs en enthousiastelingen, desktopprinters, toegankelijke printtechnieken zoals FDM en goedkope materialen zoals ABS en PLA. Dit is deels te danken aan de betaalbare desktopprinters die voortkwamen uit de RepRap-beweging, zoals de originele MakerBot en Ultimaker, die hebben bijgedragen aan de democratisering van 3D-printen en de 3D-printboom van 2009.

3D-printtechnologie: de toekomst van innovatieve productie

3D afdrukken geschiedenis

Het concept van 3D-printen ontstond in de jaren 70. In 1981 experimenteerde de Japanse wetenschapper Dr. Kodama, die als eerste de laag-voor-laag printmethode beschreef, met 3D-printen en ontwikkelde hij persoonlijk de SLA-technologie (stereolithografie), een lichtgevoelige hars die polymeriseert onder invloed van ultraviolet licht.

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

SLA kan worden beschouwd als de vroegst ontwikkelde 3D-printtechnologie. Wanneer ontstonden SLS (Selective Laser Sintering) en FDM (Fused Deposition Modeling) dan later?

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

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

In 1992 verkreeg Stratasys het patent voor de FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printtechnologie. Het bedrijf ontwikkelde 3D-printers om te voldoen aan de uiteenlopende 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-software en 3D-modelleringssoftware ontwikkeld, zoals bijvoorbeeld Sanders Prototype (nu Solidscape), dat een van de eerste in deze sector was.

3D-printen voor diverse toepassingen in verschillende vakgebieden

In 2008 verscheen de eerste 3D-geprinte prothese, wat de media-aandacht voor 3D-printen verder vergrootte. Men ontdekte dat 3D-printen niet alleen traditionele onderdelen kon printen, maar ook kon worden toegepast bij de reparatie van het menselijk lichaam. Dit indrukwekkende 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 protheses en orthesen, in combinatie met 3D-scanning, steeds goedkoper en sneller geproduceerd, waardoor ze beter aansluiten op de behoeften van patiënten. Bovendien worden deze protheses steeds verder 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 op grote schaal beschikbaar kwamen voor consumenten, wat de weg vrijmaakte voor uitgebreide innovatie van FDM 3D-printers. Naarmate de prijs van desktop 3D-printers daalde, kregen steeds meer mensen aandacht voor de ontwikkelingen in de 3D-printindustrie.

In 2013 noemde de Amerikaanse president Barack Obama 3D-printen in zijn State of the Union-toespraak als de belangrijkste productiemethode van de toekomst, waardoor "3D-printen" een absolute modeterm werd. Het is nu een zeer bekend begrip. Steeds meer kleine en middelgrote bedrijven profiteren van de goedkope prototypingmogelijkheden van 3D-printen en integreren het volledig in hun iteratie-, innovatie- en productieprocessen.

3D-geprinte conceptauto

Wat bouwtoepassingen betreft, zijn 3D-geprinte huizen nu een realiteit. In 2018 namen de eerste mensen hun intrek in een 3D-geprint huis. Het huis heeft een oppervlakte van 1022 vierkante voet (ongeveer 95 vierkante meter), wat zeer leefbaar is. Het printen duurde in totaal twee dagen.

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

Neem bijvoorbeeld een uitgeholde bal. Er zitten meer dan een dozijn bloemen op het oppervlak. Als dit met traditionele machines bewerkt zou worden, zou dat erg bewerkelijk zijn en zouden de patronen stuk voor stuk aangepast moeten worden. Bij 3D-printen is er geen materiaalverspilling, vandaar de naam additieve productie. Dit betekent dat er gebruik wordt gemaakt van een methode waarbij materiaal geleidelijk wordt toegevoegd om fysieke onderdelen te vervaardigen. De traditionele methode houdt in dat eerst een mal wordt gemaakt, vervolgens het overtollige materiaal wordt verwijderd en het resterende materiaal de gewenste vorm krijgt. Als er een probleem wordt geconstateerd, moet de mal worden aangepast. Bij 3D-printen daarentegen wordt materiaal beetje bij beetje toegevoegd, waardoor het eindproduct snel zichtbaar is.

Realisatie van 3D-printtechnologie

3D-printtechnologie wordt toegepast in de industriële productie. Voor 3D-printen is geen fysiek object nodig, maar een digitaal model. Als je een object wilt 3D-printen, moet je het modelleren met een computer of digitaliseren met een 3D-scanner, oftewel een 3D-model maken. Zo kun je objecten al binnen vijftien minuten printen. Momenteel is 3D-printtechnologie onderverdeeld in vier hoofdcategorieën: FDM, DLP/SLA en SLS.

SLS -- lasersintervormingsproces

SLS is een relatief geavanceerde poedertechnologie die smelt onder hoge temperaturen door laserbestraling. Een dunne laag poeder wordt op de werkbank aangebracht en de dwarsdoorsnede van de laag wordt met een laserstraal gescand om de temperatuur tot het smeltpunt te verhogen, waardoor sinteren en verlijmen plaatsvindt. Dit proces van poeder aanbrengen, sinteren, slijpen en drogen wordt herhaald totdat het model is gevormd. In feite is 3D-printen niets meer dan 2D-printen. Als je een object heel dun snijdt, zul je zien dat elk stukje een vorm heeft. Als je al die vormen samenvoegt, krijg je een driedimensionaal object. Zo gebruiken we lasers om afbeeldingen te tekenen. De weerstand van met SLS gegoten onderdelen tegen omgevingsinvloeden (temperatuur, vochtigheid en chemische corrosie) is vergelijkbaar met die van thermoplastische materialen; de weerstand van met SLA gegoten onderdelen is daarentegen relatief laag. Zo zijn SLA-werkstukken van epoxyhars gevoelig voor vocht en chemische corrosie; ze zullen zacht worden en vervormen bij temperaturen boven 38 °C. De vormnauwkeurigheid blijft echter hoog.

SLA -- stereolithografie-vormproces

SLA (Stereolithografie) is een lichtuithardingstechnologie die momenteel relatief ontwikkeld is in China. Bij stereolithografie wordt de eerste laag van het object op het oppervlak van een vloeibare hars getekend met een laserstraal. Vervolgens wordt het productieplatform een ​​bepaalde afstand (tussen 0,05 en 0,025 mm) verlaagd, waarna de gestolde laag in de vloeibare hars wordt ondergedompeld. De gebruikte hars is een lichtgevoelige hars die na bestraling met de laserstraal stolt. Hierdoor kan het model snel en nauwkeurig worden gevormd.

DLP -- stereolithografie-vormproces

DLP (Digital Light Processing), ook wel bekend als lasertechnologie, is een 3D-printtechnologie die veel overeenkomsten vertoont met SLA (Surface Laser Acquisition). Als je de productie vergelijkt met het tekenen van een cirkel met een potlood, dan is SLA gelijk aan het laagje voor laagje tekenen, terwijl DLP gelijk staat aan direct stempelen. Bij massaproductie zijn twee belangrijke aspecten van belang: efficiëntie en materiaalkosten. Er bestaat een 3D-printer die honderden keren sneller kan printen dan traditionele productiemethoden: de FDM-technologie (Fast-to-Fast), ontwikkeld door het bedrijf Light Prism Technology in Shenzhen. Het printen van een holle bal met traditionele FDM-printers duurt 2 tot 5 uur, en in het snelste geval een uur, maar met de nieuwste FDM-technologie is dit in slechts 10 minuten mogelijk. De printsnelheid is verbluffend. Zodra deze 3D-printtechnologie op de markt komt, zal de impact ervan op traditionele ambachten enorm zijn.

FDM -- Fused Deposition Molding-proces

Vergeleken met DLP- en SLS-technologieën is FDM-technologie relatief eenvoudig, waardoor het een breed publiek aanspreekt en gemakkelijker toegankelijk is voor gezinnen. Het prototype wordt direct geconstrueerd op basis van 3D CAD-gegevens door thermoplastisch materiaal te extruderen tot een halfgesmolten filament, dat laagje voor laagje wordt aangebracht. De voordelen van FDM-technologie zijn een eenvoudige mechanische structuur, een gemakkelijk ontwerp, lage productie-, onderhouds- en materiaalkosten, en geen milieuvervuiling. Daarom is FDM ook de meest gebruikte technologie in desktop 3D-printers voor thuisgebruik. SLS is een relatief traditionele printmethode die geen laser gebruikt en lage kosten met zich meebrengt, 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 de maakindustrie en traditioneel vakmanschap.

Voordelen van 3D-printen

(1) Aanpassing

Neem bijvoorbeeld de tandheelkunde: ieders gebit is anders, maar 3D-printing kan de tegenstelling tussen maatwerk en massaproductie oplossen, waardoor op maat gemaakte implantaten, beugels, enzovoort massaal geproduceerd kunnen worden.

(2) monster real-time

Door de hoge snelheid van 3D-printen kan een ontwerper 's ochtends een versie van een product ontwerpen en de leidinggevende kan het eindproduct 's middags al zien. Om 18.00 uur kan hij vervolgens alweer een nieuwe versie ontwerpen en die de volgende ochtend bekijken. Dit versnelt de ontwikkeling van nieuwe producten aanzienlijk. Als het ontwerp niet al te complex is, kan 3D-printen binnen 3 uur een afgewerkt product produceren, terwijl traditioneel printen 4 tot 6 weken duurt. De algehele snelheid van industrieel ontwerp wordt hierdoor ook verbeterd.

(3) Geen vervuiling

 Omdat alle gebruikte grondstoffen milieuvriendelijk zijn, is het gehele productieproces vrij van vervuiling. Er is geen sprake van vervuiling door afvalgassen en afvalwater, en er is geen verspilling van restmaterialen.

(4) Dataisering

Naarmate digitale tandheelkunde zich verder ontwikkelt, zullen de technische eisen voor artsen aanzienlijk afnemen. Patiënten hoeven het instrument dan slechts twee minuten in de kliniek te gebruiken om de oorzaken en oplossingen van al hun tandheelkundige problemen te achterhalen.

Daarnaast kan 3D-printen ook worden gebruikt voor orthodontie, bijvoorbeeld voor het printen van gepersonaliseerde en op maat gemaakte transparante beugels. Moeten de tanden tijdens een plastische chirurgie naar links of naar voren worden verplaatst? Hoeveel millimeter moet dat zijn? Vroeger berustte tandheelkundige chirurgie volledig op de persoonlijke ervaring van de arts, maar digitale tandheelkunde heeft de stabiliteit van de ingreep vergroot en de technische drempel voor artsen verlaagd.

(5) Snel

 Vergeleken met traditionele industriële processen vereist 3D-printen geen voorbereidingen zoals mankracht en transport. Het heeft alleen machines en grondstoffen nodig en kan snel in productie worden genomen.

(6) Automatisering

 Je zou kunnen zeggen dat er slechts één 3D-printer tussen de virtuele verbeelding en de werkelijkheid staat. De productie met één druk op de knop van 3D-printing bespaart aanzienlijk op arbeidskosten en menselijke fouten.