3D printen

3D printen


3D-printen: Wat is dat? Welke technieken bestaan er binnen 3D-printen? Wat is de stand van zaken van 3D printen in Nederland? 3D-printen werd ontwikkeld als snel - en goedkoop alternatief om rapid prototyping te realiseren.

3D printen is een printtechniek, gebaseerd op Additive Manufacturing (additive = toevoegen) , waarbij een driedimensionale vorm wordt opgebouwd uit lagen, die op elkaar geprint worden.

 

Kosten 3D-printen

3D-printen kan je tegenwoordig overal online, bij iedere 3D hub printservice, jouw ontwerpen laten printen door makers, experts en professionals. Meestal maak je door slimme keuzevelden in te vullen de juiste keuze in materiaal, 3D printtechniek en kosten. De grootste Hub store voor 3D-printen in Europa is waarschijnlijk 3Dhubs.
Een 3D hub store is een online platform waarbij aanbieders in 3D-printen zich hebben ingeschreven. Deze aanbieders worden ingedeeld naar printtechniek. Je kan dus ook industriële en professionele materialen laten 3D-printen die normaliter niet in jouw bereik lagen.
De kosten van 3D-printen liggen bij deze hub stores relatief laag; je betaalt per 3D print en hoeft zelf geen 3D-printer en 3D printer filament aan te schafffen.

 

Technieken en materialen in 3D-printen

De goedkoopste techniek in 3D-printen is FDM, Fused Deposit Modeling, ook wel FFF (Fused Filament Fabrication) genoemd. Zowel de 3D-printers als filamenten zijn relatief goedkoop. Je kan bij FDM 3D-printen met de volgende 3D filamenten: PLA, ABS, PETG, Nylon, hout en tegenwoordig is err ook veel keuze in industrieel filament. Nadeel van FDM is dat de resolutie vaak minder is dan bij andere technieken en dat er vaak van support gebruik gemaakt moet worden. Tegenwoordig kan je in FDM 3D-printen ook met meerdere materialen in door de introductie van de dual extruder (2 kleuren), multi material upgrade van Prusa en Mozaic Palette.

De nieuwste uitvinding in FDM 3D-printen is de E3D toolchanger optie, waarbij de print-unit automatisch van printkop kan wisselen zoals een moderne CNC-freesmachine/robot dat kan.

 

 

3D printen is een vorm van Rapid Prototyping.

Rapid Prototyping is de verzamelnaam voor diverse technieken om snel prototypen te kunnen vervaardigen.

 

Hoe is 3D printen ontstaan?

In de 20e eeuw ontwikkelden diverse Amerikaanse geleerden een techniek die een driedimensionaal object per laag kon opbouwen. Als grondstoffen werden hars, en verschillende poedervormen gebruikt.

 

Het doel van 3D printen was om een snellere en slimmere manier van rapid prototyping te ontwikkelen.

Een prototype is een fysiek voorbeeld van een product dat je wilt ontwikkelen en produceren. Dit werd op verschillende manieren gecreëerd. Dit prototyping-proces was prijzig, tijdrovend en moesten er meerdere versies gemaakt worden voordat het gewenste resultaat werd bereikt; daarnaast moest het protoype representatief zijn en in een latere versie ook nog functioneel.

Prototypes werden vaak door middel van spuitgiettechniek geproduceerd. Je kan je voorstellen dat het produceren van een dure metalen gietmal zowel veel tijd als kosten met zich meebracht. Het zou dus zowel lucratief als snel zijn om het prototyping proces te veranderen.

Het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontwikkelde in samenwerking met de technische onderneming 3D systems een aantal onderzoeken om op een snelle manier prototypes te kunnen maken.

De resultaten waren zeer bevredigend en de licenties van de 3D printtechnieken werden aan een zestal bedrijven afgedragen. Eén van die bedrijven was Zcorp; Zcorp ontwikkelde een 3D printtechniek die erg op SLS lijkt, waarbij gipspoeder door een bindmiddel verlijmd wordt en daarna per laag in full colour wordt geprint.

In 1986 wordt de 3D printtechniek Fused Deposit Modeling (FDM) ontwikkeld door Scott Crump. De grondstoffen bij FDM 3D printen zijn geen poeders of harsen, maar polymeren en plastics in de vorm draad. Het draad wordt gesmolten en geëxtrudeerd door een spuitmond, de nozzle, op een bouwplatform, het prinbed. Het 3D object wordt in laagjes geprint. Scott Crump richt in 1989 Stratasys op; een toonaagevende onderneming met hoogwaardige 3D printers en materialen.

In dezelfde periode (+/- 1986) wordt een 3D printproces vastgelegd door Charles Hull als Stereo Lithography; in die tijd werd de vakterm stereo lithography voor 3D printen in het algemeen gebruikt. Pas later werd Stereo Lithografie de officiële benaming van het laseren van fotogevoelige hars. Charles Hull richtte later 3D systems op en was samen met Scott Crump één van de pioniers op het gebied van 3D printen. Zij zijn met name verantwoordelijk voor de commercialisering van 3D printen.

In het kielzog van de internetontwikkeling evolueerde ook het 3D printen. In Engeland werd een plan ontwikkeld om zelf een goede goedkope 3D printer te kunnen bouwen en deels zelf de onderdelen te printen. Dit initiatief werd RepRap (afkorting van replicating rapid prototyper)  genoemd en één van de kenmerken is dat het “open source” is. De RepRap printer is gemaakt door duizenden mensen die in dit project wereldwijd samenwerken via internet.

De software van het RepRap idee had een open licensie en was voor iedereen vrij te gebruiken. Het gevolg was een verschuiving van 3D printen van de professionele markt naar thuisgebruikers van 3D printers. Vervolgens werden ook sommige slicers vrij verkrijgbaar en kon eigenlijk iedereen vanuit huis een 3D printer bouwen, 3D modellen ontwerpen, slicen en uiteraard printen.

De 3D printtechniek heeft door alle communities, de open geest en de globale inbreng eigenlijk een uniek karakter; iedereen kan wereldwijd zijn of haar bijdrage leveren aan het proces.

 

 

Verschillende technieken in 3D printen

  • FDM Fused Deposit Modeling / FFF Fused Filament Fabrication
  • SLA: Stereo Lithography
  • SLS: Selective Laser Sintering
  • Polyjet
  • MJM
  • Zcorp

 

Fused Deposit Modeling (FDM/FFF):

FDM of FFF is een extrusietechniek, waarbij gesmolten kunststof draad door een verhitte spuitkop (3D nozzle) in minuscule laaghoogtes op een bouwplaat wordt geprint.

Daarna zakt de bouwplaat, het printbed genoemd, één laaghoogte en wordt er vervolgens weer een volgende laag op de 1e laag geprint en samengesmolten (= fused). Fused Deposit Modeling is dus per laag eigenlijk 2 dimensionaal; doordat het printbed één laaghoogte zakt, wordt het een driedimensionale techiek…

De termen FDM en FFF zijn hetzelfde. FDM is de term die Stratysys heeft vastgelegd (trademarked)  toen deze 3D printtechniek ontstond. Toen 3D printen aan populariteit won, ging men op bijvoorbeeld het RepRap forum spreken over FFF om geen inbreuk op de geregistreerde term FDM te doen.

 

FDM / FFF 3D printers

De 3D printers die in FDM gebruikt worden zijn over het algemeen relatief klein en goedkoop. Maar ook omdat FDM printers gemakkelijk zelf te bouwen zijn, is FDM veruit de meest gebruikte 3D printer voor thuisgebruikers.

Het filament wordt door een extruder een verhitte kamer (hot-end) ingetrokken (direct drive extruder) en in geduwd (Bowden extruder). Daar wordt het filament omgesmolten en door een spuitmond, de nozzle, op een printbed geprint. Het printbed zakt één laaghoogte en dan wordt de volgende laag op de 1e laag geprint.

Het filament is gemakkelijk verkrijgbaar, is goedkoop en in veel variaties te bestellen. Daarnaast zijn onderdelen op internet te bestellen en zijn er complete handleidingen te downloaden, om nog niet te spreken over de kennis aanwezig in alle 3D print communities. Op zijn zachtst gezegd is FDM 3D print technologie is dus erg toegankelijk….

Natuurlijk zijn er ook grotere modellen FDM 3D printers met bijvoorbeeld meerdere printkoppen op één as die in serie tegelijk 8 identieke prints kan maken. Of wat dacht je van de 3D printer die met beton en een soort schuim complete huizen print?

 

Materialen FDM

Alle materialen in FDM worden in de vorm van thermoplasten als draad op een spoel aangeboden. De bekendste filamenten zijn PLA bioplastic (Polylactic Acid), ABS (Acrylonitril-butadieen-styreen) en PETG (Polyethyleentereftalaatglycol). De kenmerken van deze 3D print filamenten is dat ze veel printgemak hebben, goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar zijn.

Uiteraard zijn er de exotische filamenten zoals woodfill en glow-in-the-dark filament, maar ook industriële filamenten beschikbaar met uitstekende mechanische eigenschappen en weerstand tegen chemie, temperatuur en weersinvloeden. Je kan dan denken aan ASA, Nylon, PC, PP en Vinyl filament.


Er bestaat zelfs een variant van FDM printen waarbij een metalen lasdraad door een electron straal wordt omgesmolten tot een vorm.

 

Voordelen FDM 3D printen

  • Snel
  • Goedkoop
  • Gebruiksvriendelijk

 

Nadelen

  • Overhangende delen hebben support nodig
  • Matige resolutie
  • De nauwkeurig is matig

 

 

 

SLS 3D printen:

SLS ( Selective Laser Sintering) is een 3D printtechniek waarbij een laser, in een minuscule dunne laag (vaak 0,1 mm) met kunststof poeder, een vorm print.

 

SLS printtechnieken werden veranderd, verbeterd en aangepast zodat het mogelijk werd om veel verschillende materialen in poedervorm te 3D printen: plastics, metaal, keramiek en composieten.

 

Alle verschillende SLS 3D printtechnieken staan bekend onder de verzamelnaam "powder bed fushion"; een additief productieproces waarbij de belichte delen, per laag poeder, een vaste vorm krijgen. De meest voorkomende powder bed fushion technieken zijn met plastics (SLS) en met metaal (DMLS: Direct metal laser sintering en SML: Selective Laser Melting)

 

Bij SLS wordt dus een vorm in een dun laagje poeder verhit tot vaste vorm. Door de verhitting smelt en hardt het gelaserde deel uit. Het printbed zakt één laaghoogte, een roller rolt wéér een laag van 0.1 mm kunststof poeder over de 1e laag en het proces herhaalt zich.

 

Het poeder kan niet wegzakken omdat de het printbed aan alle kanten door wanden wordt afgeschermd. Het printbed zakt als het ware in een bak. Als de printer gereed is en de wanden worden verwijderd, heb je als het ware één groot blok. Met een borstel wordt het poeder dat om de print zit, verwijderd. Zie de schematische weergave voor de werking van SLS 3D print techniek.

3D printen - SLS print techniek

 

SLS 3D printers

SLS printers zijn wat groter en duurder dan bijvoorbeeld FDM printers. Vaak worden SLS printers voor zakelijk gebruik ingezet. Een 3D print bedrijf met SLS printers combineert zoveel mogelijk orders van particulieren en zakelijke klanten in de dimensie van de bak van de printer. Er is speciale software om de dimensie, dus je 3D printgebied in te delen. Deze techniek van indelen noemt men "nesting".

Doordat er schaalvoordeel uit deze manier van printopdrachten bereikt wordt, wordt er een beperkt aantal materialen en kleuren aangeboden.

 

Materialen SLS

De meest gebruikte materialen in SLS 3D printen zijn Polyamide en vergelijkbare 3D poeders. Polyamide is nylon en vaak wordt het nylon met verschillende stoffen gevuld om een bepaald effect of hardheid te bewerkstelligen. Zo wordt nylon vaak gevuld met metaalpoeder en carbonpoeder om hardheid/stevigheid te creëren, maar wordt er ook gevarieerd in de fijnheid van het poeder, dus de korrelgrootte om bijvoorbeeld een oppervlakte effect te krijgen.

Nylon is hard en toch flexibel, duurzaam en in veel variaties verkrijgbaar. Daarnaast heeft nylon een goede chemische weerstand en kan het vaak worden gebruikt voor food contact geschikte 3D producten.

 

Afwerking SLS nylon

Nylon is achteraf uitstekend na te bewerken. Vaak worden de 3D prints getrommeld waardoor een 3D geprint object een glad oppervlak krijgt. Trommelen is het schudden van de prints in een trommel; het aantal trillingen bepaald de gladheid van het product. Polijsten van de print is ook mogelijk op andere manieren, maar trommelen is de meest geautomatiseerde vorm van polijsten.

 

Kleuren van 3D prints

Het kleuren van je 3D print kan op verschillende manieren:

  • Vooraf kleurstof toevoegen in het poeder. De print heeft dan door de gehele print een constante kleur
  • Achteraf lakken met een kleur- of kleuren naar keuze
  • Achteraf coaten; het coaten van een 3D print is vaak meer om de print van een verstevigende laag te voorzien. Bijvoorbeeld tegen weersinvloeden.
  • 3D printen met Zcorp methode: Per 3D geprinte laag, wordt de laag door een inktjet principe in full colour gekleurd; gewoon met een inktjet printer.

 

 

SLM (Selective Laser Melting)

SLM is een variant van SLS 3D printen en staat voor Selective Laser Melting. Bij SLM wordt metaalpoeder, door een krachtige laser in een afgesloten kamer met een stilstaand gas, per laag omgesmolten tot een vaste vorm. Het grote voordeel van het omsmelten van metaal is dat SLM object door het omsmelten helemaal solide is en minder poreus dan een 3D print waarbij poeder door een laser wordt samengevoegd. Het metaal verkregen uit het SLM proces kan zich meten met reguliere metalen zoals koper, aluminium en roestvrij staal.

 

 

EBM (Electron Beam Melting)

Een andere variant van SLS is EBM oftewel Electron Beam Melting waarbij een elctron straal het metaal omsmelt; deze methode is door de krachtige electron straal nauwkeuriger dan SLS 3D printen.

 

* Colorjet / Zcorp 3D printen

Voorheen was Zcorp alleen in gips mogelijk. Zcorp is een 3D printtechniek die veel overeenkomsten heeft met SLS; bij Zcorp wordt een poeder door een bindmiddel verbonden/verlijmd en dus niet door een laser. Ieder laag wordt door een inktjetprinter in full colour geprint. Dit was ideaal voor zichtmodellen, maar het materiaal was poreus en beschadigde snel. Voor de maquettebouw en eerste ontwerpen van schoenen werd de Zcorp techniek vaak ingezet.

Tegenwoordig kan je met Colorjet / Zcorp betere materialen printen die iets steviger zijn, maar voor functionele modellen is Zcorp niet geschikt.

 

Voordelen SLS

  • Het grootste voordeel van SLS printen is dat je zonder support kan printen; het omliggende poeder dat niet uithard door de laser, zorgt namelijk voor de support
  • Een SLS 3D print is stevig, stijf en van uitstekende kwaliteit
  • SLS is duurzaam; het omliggende, ongebruikte poeder wordt teruggewonnen en hergebruikt
  • SLS modellen zijn uitstekend geschikt voor de eerste functionele modellen of prototypes
  • Goede oppervlakte afwerking

 

Nadelen

  • Materiaalkeuze is beperkt
  • Kleurkeuze is beperkt
  • Langere koeltijden

 

 

3D printen  met SLA (Stereo Lithography Apparatus)

 

SLA is de afkorting van StereoLithography Apparatus en is de oudste 3D printtechniek. Zoals eerder in dit artikel genoemd, is SLA 3D printen door Charles Hull ontwikkeld in 1986.

3D printen in StereoLithography werkt alsvolgt: een UV-laser belicht een laagje kunsthars (3D resin), die uithardt. Het printbed zakt één laaghoogte in het bad met kunsthars en de laser belicht de volgende laag.

Het belichten van UV gevoelige kunsthars met een laserbron wordt photo-polymerisatie genoemd. Hierbij vormen losse moleculen van de 3D resin een vaste keten moleculen door de belichting van een UV-bron. Deze techniek wordt ook al jaren succesvol toegepast met UV drukinkten in de grafische sector en/of drukkerijen

Tegenwoordig werken SLA printers ondersteboven of op zijn kop: Het printbed ligt één laaghoogte onder het oppervlak van het bad met kunsthars. De belichting van de lagen komt van onderaf dóór het bad met 3D resin. Nadat een laag is belicht stijgt het printbed één laaghoogte en wordt de volgende laag belicht.

Het kunsthars wordt resin genoemd en is in verschillende kleuren en soorten verkrijgbaar.

DLP is een alternatief van SLA. DLP staat voor Digital Light Processing. In dit proces projecteert een beamer een afbeelding van één complete laag in de vloeistof. DLP werkt over het algemeen sneller dan SLA en is uitermate geschikt voor 3D prints die een volledige dichtheid hebben, dus massief zijn. Nadeel is dat DLP met pixels werkt en vaak een minder hoge resolutie kunnen halen dan een scherpe laserbron.

De resolutie is bij SLA afhankelijk van de kwaliteit en scherpte van de laser. Doordat modellen bij DLP uit pixels worden opgebouwd krijg je harder overgangen tussen de verschillende lagen. Voor grote massieve modellen met weinig detail wordt DLP gebruikt en als er meer detail wordt gevraagd gebruiken we meestal SLA.

SLA vs DLP

Bron: Formlabs

 

SLA 3D printers

SLA printers voor thuisgebruik hebben vaak een kleinere printvolume, maar zijnook duurder dan standaard FDM printers. SLA printers hebben over het algemeen een betere resolutie dan FDM printers.

SLA printers zijn vanaf € 2.000,- te koop, maar de werkwijze is geheel anders dan in bijvoorbeeld FDM: het werken met resins en met name het wisselen van resin wordt vaak als tijdrovend en onhandig ervaren. Dat is toch wel anders dan een rol wisselen bij een FDM 3D printer… De houdbaarheid van een 3D object geprint in resin heeft een aanzienlijk minder lange levensduur dan polymeren. Professionele SLA 3D printers kunnen grote bouwvolumes aan zonder in te boeten aan resolutie. De detailweergave in SLA 3D printen is ongeëvenaard.

Formlabs 2 SLA printer

Formlabs 2 SLA printer, bron Formlabs

 

 

Materialen SLS

Zoals gezegd worden kunstharsen, resins genaamd, gebruikt als materiaal voor SLA printen. Waar voorheen de kwaliteit en duurzaamheid te wensen overliet, zijn er tegenwoordig goede duurzame resins verkrijgbaar die materialen zoals polypropyleen evenaren.

De beschikbare kleuren in resins zijn beperkt, evenals de variatie in materialen.

    

 

Voordelen SLA

 

  • Gladde egale printoppervlakken
  • SLA is de meest nauwkeurige vorm van 3D printen
  • SLA kan de kleinste laagdiktes bereiken van alle 3D print technieken

 

 

Nadelen SLA

 

  • Materiaalkeuze is beperkt
  • Kleurkeuze is beperkt
  • Supportstructuren worden in hetzelfde materiaal mee geprint
  • SLA is een relatief dure 3D print techniek
  • Resins cartridges zijn onderling niet uitwisselbaar
  • Langere printtijden