OVERZICHT VAN 3D-PRINTPROCESSEN VOOR DE MAAKINDUSTRIE

Inleiding

Op minder dan 30 jaar werden een dertigtal verschillende technologieën ontwikkeld die allen onder de noemer “3D-printing” of Additive Manufacturing vallen. Elk van die technologieën heeft voor -en nadelen en veel ervan hebben een specifiek – maar ook overlappend – toepassingsgebied.

Dat betekent meteen ook dat elk van die technologieën kansen biedt om innovatief aan de slag te gaan, om kosten te reduceren in producten of processen, om betere producten te maken, enzovoort.

Maar die veelheid aan technologieën maakt ook dat het gebruik ervan relatief langzaam doorsijpelt in de maakindustrie: het selecteren van het meest geschikte Additive Manufacturing (AM) -proces voor een bepaalde toepassing is een behoorlijke uitdaging. Zo scoort elk van de technologieën anders op het vlak van maatnauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en vereisten voor design en nabewerking. Tot het moment waarop we allen opgroeien met kennis over 3D-print technologieën, zullen bedrijven zelf tijd moeten investeren in het ontdekken van de nieuwe mogelijkheden.

In dit artikel bekijken we een aantal technologieën die vaak opduiken in de maakindustrie. Het zijn ook vaak deze technologieën waarvoor er de meeste aanbieders zijn. Dat wil niet zeggen dat de andere opties minder relevant zijn; voor een meer doorgedreven zoektocht naar de juiste technologie voor een bepaalde toepassing, kunnen geïnteresseerden terecht bij een aantal gespecialiseerde adviseurs – eventueel te contacteren via Flam3D, de koepelorganisatie van 3D-print bedrijven in de regio Vlaanderen-Nederland.

Metaal en kunststof

Vaak krijgt metaalprinten bij dit type overzichten voor de maakindustrie de meeste aandacht. In de realiteit zien we echter dat een business case voor een geprint onderdeel in kunststof meer voor het grijpen ligt: in een aantal gevallen kan het bedrijf zelf aan de slag met de technologie – iets wat voor metaalprinten minder een evidentie is. Het levert vaak een directe besparing of procesverbetering op; we zien dan ook dat heel wat bedrijven dit al geïntegreerd hebben in hun productieprocessen.

Er is ook soms een zekere weerstand tegen het gebruik van kunststoffen – ze worden niet altijd vertrouwd als het bijvoorbeeld op mechanische eigenschappen aankomt. Vaak is dat onterecht: onbekend is onbemind en er komen continu nieuwe, al dan niet versterkte, polymeren op de markt. Dat neemt niet weg dat er uiteraard voor metaal genoeg toepassingen zijn die enkel met metaal kunnen worden opgelost. Maar de boodschap is dus: zie de polymeren niet over het hoofd.

Overzicht

Er bestaan veel verschillende overzichten van de 3D-print technologieën. Geen enkel overzicht is ideaal, en geen enkel is nog volledig. Een aantal parameters komen echter in de meeste overzichten terug; hier is dat achtereenvolgens:

• De vorm van de grondstof: als vloeistof, poeder of als filament (draad) door extrusie;
• De soort grondstof: metaal of polymeer;
• Of er al dan niet gewerkt wordt met binders in het proces;
• En welke energiebron er wordt aangewend om het proces te laten plaatsvinden.

Ook de schematische weergave die we hier gebruiken is onvolledig. Met dit overzicht worden al verschillende categorieën uitgesloten: keramische materialen, siliconen, cellen, en andere werden niet opgenomen. Ook de verschillende “material jetting” technologieën vallen uit de boot.

De verschillende technologieën worden in groep, volgens kleur, besproken.

De groene groep: Fotopolymerisatie

Fotopolymerisatie vindt plaats wanneer een hars wordt blootgesteld aan licht met een specifieke golflengte. Door de energie-inbreng vindt een chemische reactie plaats en wordt de materie hard. Een aantal additieve technologieën gebruiken dit fenomeen om laag per laag een solide onderdeel te bouwen. We kunnen de fotopolymeertechnologieën opsplitsen volgens de toegepaste energie-inbreng.

Bij “stereolithografie” (SLA) wordt een bouwplatform ondergedompeld in een tank gevuld met vloeibare hars. Tussen het hangende bouwplatform en de bodem van de tank zit een dun laagje van die hars. Een laser schijnt vervolgens van onderuit op dat laagje, enkel op die plaatsen waar uitharding gewenst is. Op die manier wordt één dwarsdoorsnede van het ontwerp “geschreven”. Daarna gaat het platform omhoog zodat er ruimte komt voor een volgende harslaag. Gemiddeld is de dikte van zo’n laag 25 tot 250 µm – een keuze die natuurlijk een invloed heeft op de printsnelheid. Dit proces wordt laag per laag herhaald om een ​​vast onderdeel te vormen. Onderdelen worden daarna meestal nog verder uitgehard met UV-licht om de mechanische eigenschappen te verbeteren.

Direct Light Processing (DLP) produceert onderdelen op een vrijwel identieke manier als SLA. Het belangrijkste verschil is dat DLP geen laser gebruikt voor de uitharding, maar een digitaal lichtprojectorscherm. Zo wordt één laag uitgehard in één enkele “flits”. Omdat de projector een digitaal scherm is, bestaat het beeld van elke laag uit vierkante pixels van ongeveer 35 – 100 µm, afhankelijk van machine en instellingen. Ter vergelijking: bij SLA bepaalt vooral de diameter van de laserspot de nauwkeurigheid – finaal kan daar zelfs tot minder dan 10µm nauwkeurig worden geprint. DLP kan snellere printtijden realiseren in vergelijking met SLA voor sommige delen, omdat elke hele laag in één keer wordt belicht, in plaats van elke plaats afzonderlijk met een laser te moeten beschijnen.

Continuous Direct Light Processing (CDLP), ook bekend als Continuous Liquid Interface Production of CLIP, produceert onderdelen op quasi dezelfde manier als DLP maar het bouwplatform beweegt continu naar boven. Dit zorgt voor snellere bouwtijden, aangezien het printproces niet wordt onderbroken.

Toepassingen

Polymerisatieprocessen zijn uitstekend geschikt voor het produceren van onderdelen met fijne details en een gladde oppervlakteafwerking. Dit maakt ze ideaal voor sieraden en tandheelkundige en medische toepassingen, maar ook voor technische oplossingen die een hoge graad van afwerking behoeven, is de technologie geschikt.

Tot voor kort was de grootte van het bouwvolume en de beschikbaarheid van sterkere materialen nog een uitdaging, maar de evolutie hierin gaat snel – ook in 2020 zullen enkele nieuwe materialen op de markt komen met uitzonderlijke mechanische eigenschappen.

De roze groep: poeder-metaal-print, zonder binders

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is wellicht meer als SLM (Selective Laser Melting). Bij dit proces wordt een eerst een laag poeder over het bouwplatform verspreid. Een laser scant een laag van het onderdeel, waardoor het metaalpoeder lokaal smelt. Niet onterecht spreekt men van een micro-lasproces, wat het in sé ook is. Vervolgens zakt het bouwplatform – typisch met laagdikte van 20 – 100 µm – en een nieuwe laag poeder wordt aangebracht. Het proces herhaalt zich totdat een vast onderdeel is geproduceerd, dat ingebed zit in ongesinterd poeder. Het onderdeel wordt uit het poeder verwijderd, gereinigd en dan is het klaar voor gebruik of verdere nabewerking.

Een variant op deze technologie is EBM, wat staat voor Electron Beam Melting. Hierbij is de laser vervangen door een elektronenbundel. Het bouwvolume moet worden voorverwarmd tot 700°C, afhankelijk van het te printen metaal. Dat zorgt ervoor dat er beduidend minder thermische spanningen ontstaan in het te printen stuk enerzijds, wat resulteert in minder vervorming en minder behoefte aan ankers en ondersteunende structuren. Anderzijds betekent het ook dat de metaaldeeltjes die niet aan elkaar gesmolten zijn, toch deels aan elkaar sinteren wat tot gevolg heeft dat het verwijderen van poeders (bijvoorbeeld in smalle koelkanalen) een uitdaging kan worden.

EBM vereist dat de onderdelen in een vacuüm worden geproduceerd en het proces kan alleen worden gebruikt met geleidende materialen. Bij SLM wordt meestal gewerkt in een bouwvolume (dat al dan niet eerst onder vacuüm werd gebracht) onder beschermgas.

Toepassingen

LBPF en EBM zijn processen die al meer dan 25 jaar wordt gebruikt en doorontwikkeld. Het gevolg is dat er al veel toepassingen voor zijn, ook in high-end industriële applicaties. De lijst van (mogelijke) applicaties is dan ook bijzonder lang, zowel in de luchtvaart, als in de industrie, medische wereld, protoyping, tooling, enzovoort. Typisch komen ook onderdelen met interne (koel-)kanalen, zogenaamde “undercuts”, conforme koeling, rotoren, impellers, etc. in aanmerking.

Een minder bekende variant is de Direct Energy Deposition met poeder – beter bekent als “Laser Cladding”. Hierbij wordt het poederaanvoer samen met de energiebron en toevoer van inert gas over het te printen stuk voortbewogen (vaak door middel van een robotarm). De laser creëert een smeltbad op het substraat en poeder wordt in het bad gespoten, waar het wordt gesmolten en vervolgens wordt stolt.

Omdat Laser Cladding kan voortbouwen op bestaande substraten, werd de technologie initieel vooral ingezet voor het herstel van bestaande stukken. Maar meer en meer zien we ook de volledige opbouw van stukken met de technologie. Voordelen ten opzichte van de LPBF zijn vooral de depositiesnelheid en de onafhankelijkheid van een bouwplatform. Anderzijds moet wel worden ingegeven op de nauwkeurigheid – die lager ligt dan bij LPBF, maar hoger dan bij de WAAM- of DED-Wire technologie – het broertje van Laser Cladding, in de paarse groep hieronder.

De paarse groep: metaalprint door extrusie, zonder binders

We gaan door op de metaalprinttechnologieën die geen gebruik maken van binders, maar in plaats van poeders te gebruiken als feedstock, werken onderstaande technologieën met de aanvoer van draad of ander basismateriaal dat uit een printkop wordt geëxtrudeerd.

Drie van deze technologieën werken vrij gelijkaardig aan de hierboven genoemde “laser Cladding”. Ze worden dan ook vaak onder dezelfde noemer “direct energy deposition” geplaatst: de technologieën WAAM, DED-Wire en EBAM maken allen gebruik van een depositiekop, die bestaat uit een energiebron, mondstukken voor afgifte van materiaal en toevoer van inert gas. Het materiaal wordt gesmolten om een ​​vast stuk laag voor laag op te bouwen. De energiebron creëert een smeltbad op het bouwoppervlak.

Het voornaamste tussen deze drie is de energiebron die wordt toegepast: WAAM (wire and arc additive manufacturing) werkt met een booglasproces. De “laskop” is hier gemonteerd op een robotarm en/of gantry en/of railsysteem, net zoals bij “DED-wire”. In die laatste wordt een laser toegepast om een smeltbad te creëren.

Electron Beam Additive Manufacture (EBAM) gebruikt een elektronenbundel als warmtebron. Elektronenstralen zijn efficiënter dan lasers en werken onder vacuüm – het proces vindt hier dus plaats in een vacuümkamer en heeft daarom, in tegenstelling tot WAAM en DED-wire, een limiet aan de grootte van de geprinte stukken.

Deze DED-technologieën worden logischerwijs vooral gebruikt voor grotere metalen stukken – de materiaalafzetting is ook beduidend hoger dan bij andere technologieën – hoewel bij DED-powder de bouwsnelheid ook al aanzienlijk is. Door de aard van het proces zijn ze bij uitstek geschikt zijn voor het repareren of toevoegen van materiaal aan bestaande componenten. Als een glad oppervlak een noodzaak is, dan is de nabewerking uiteraard nog vrij intensief.

De lichtblauwe groep: sinteren van polymeer

In de volgende groep zitten slechts twee technologieën… en een ervan hoort er misschien zelfs niet in thuis:

Selective Laser Sintering (SLS) produceert massieve kunststof onderdelen met behulp van een laser om een dunne laag poeder laag voor laag te sinteren. Het proces is heel gelijkaardig aan dat van de hierboven vermelde SLM (of Laser Powder Bed Fusion (LPBF)). Omdat het “lichte” materiaal volledig ingebed zit in poeder, is er geen ondersteuningsmateriaal nodig. Dat zorgt ervoor dat er een grote ontwerpvrijheid is.

Multi Jet Fusion (MJF) sintert op zich ook polymeerpoeders maar gebruikt daarvoor wel een sinter-middel (fusing agent): met een “gewone” 2D-printkop wordt over het poederoppervlak een product neergelegd dat het sinteren bevordert (waar het te maken onderdeel komt), en aan de randen van het product wordt een anti-sinter middel neergelegd. Vervolgens passeert een infrarood-warmtebron over de laag waardoor het poeder aan elkaar sintert, enkel op de plaatsen waar die fusing agent werd neergelegd. Vervolgens wordt weer een laag poeder afgezet, fusing agents en anti-sinter middel, enzovoort.

SLS en MJF worden voor heel wat toepassingen gebruikt in de brede maakindustrie en de medische wereld. De onderdelen hebben doorgaans een hoge sterkte en mechanische eigenschappen die vergelijkbaar (of soms zelfs beter) zijn dan het bulkmateriaal. Er is een groot aantal nabewerkingsmethoden beschikbaar, wat betekent dat onderdelen een gladde afwerking hebben en om deze reden worden ze vaak gebruikt om eindproducten te produceren. De machines worden vaak als “werkpaard” ingezet bij 3D-print serviceproviders en produceren maandelijks duizenden geprinte stukken. Op polymeer gebaseerde technologieën bieden veel ontwerpvrijheid.

Oppervlakteruwheid en interne porositeit zijn soms een uitdaging, net zoals krimp of vervorming tijdens de verwerking. De basismaterialen zijn meestal polyamides (nylon) en, net zoals bij de metaal-poederprint-technologieën, is het niet eenvoudig om “even” van materiaal te wisselen. Het aantal mogelijke materialen, en de kwaliteit, breidt continu uit; net zoals in de meeste andere technologieën zien we dat heel wat grote materiaalontwikkelaars zich toegelegd hebben op de productie van proces-specifieke materialen.

De oranje groep: Binder-jetting (BJ) voor metaal of polymeer

Door een basismateriaal te gaan combineren met een binder kan je het beste van twee werelden combineren: de binder enkel voor de bind-eigenschappen, het basismateriaal voor de finale eigenschappen. Kunnen de tegenstanders het omgekeerde beweren – dat de binders een goede kwaliteit van het eindmateriaal verhinderen? Het is genuanceerder dan dat.

Binder jetting is een proces waarbij een bindmiddel op een poederbed wordt geprojecteerd. Vervolgens wordt een nieuwe laag poeder aangebracht en wordt ook dat laagje met de binder bespoten. Typische laagdiktes zijn 50 – 100 µm voor metaal, ca. 100 µm voor de typische full-colour zandsteen poederprints en 200 – 400 µm voor prints op basis van zandkorrels/keramiek. Die laatste zijn overigens een mogelijk alternatief als mallen voor gietstukken.

Voor metalen onderdelen geldt hier een belangrijk aandachtspunt: wat uit de printer komt is uiteraard geen metalen stuk: het is metaalpoeder gebonden met een binder. Dat vergt nog een paar nabehandelingsstappen (de-binding, sinteren en eventueel nog andere warmtebehandelingen) en het zorgt er ook voor dat de stukken nog ongeveer 20% krimpen – wat moet ingecalculeerd worden van bij het design.

Anderzijds heeft het werken met binders het grote voordeel dat er geen warmte wordt opgebouwd in de stukken, tijdens het printen. Vervormingen en breuk door spanning vormen dus geen uitdaging.

Toepassingen

De toepassingen zin uiteraard sterk afhankelijk van het basismateriaal dat wordt gebonden: stukken op basis van metaalpoeder worden gebruikt als functionele onderdelen en zijn goedkoper dan prints in de poederbed-metaalprints van de “roze groep” hierboven. De mechanische eigenschappen zijn echter minder performant. Desalniettemin worden

De full-folour prints op basis van zandsteen zijn ideaal voor toepassingen waarbij design en uitzicht belangrijk zijn: prototypes, architecturale modellen, vormverificatie enz. de stukken zijn echter te bros om als functioneel prototype te kunnen dienen.

De prints op basis van zand zijn ideaal als mal voor gegoten metalen onderdelen.

De donkerblauwe groep: Fused Polymer fabrication

We hebben een aantal technologieën onder één noemer geplaats in deze categorie, met de eigen benaming “fused polymer fabrication”. Het basisprincipe is hetzelfde voor al deze technologieën:

Het te printen materiaal wordt gesmolten en door middel van een spuitmond (extruder) op een platform aangebracht. Door de extruder en/of het platform te bewegen wordt de gewenste vorm laag voor laag aangebracht. Doordat het vloeibare materiaal na het aanbrengen van iedere laag direct weer stolt, kan de gewenste vorm opgebouwd worden.

Om eventuele ondersteuning aan te kunnen brengen (men kan niet in het ijle printen) wordt er bij sommige printers gewerkt met een tweede extruder. Het ondersteuningsmateriaal is dan een ander materiaal dat wel kleeft maar niet echt hecht aan het eindproduct.

Fused filament fabrication (FFF) is wellicht de meest bekende en meest toegepaste 3D-print technologie. Veel vaker wordt de benaming “FDM” (Fused Deposition Modeling”), de originele benaming van Stratasys.

Nu zijn er echter heel wat varianten op de markt – er zijn bijvoorbeeld filamenten die een zeer hoog percentage aan metaalpoeders hebben. Het filament dient dus eigenlijk enkel als drager voor het poeder (vandaar ook de classificatie onder “poeders”). Bij het geprinte stuk is dus ook – net zoals bij binder jetting – een cyclus nodig van het verwijderen van binders, sinteren en nabwerken.

Bij de “echte” Fused Filament Fabriacation is het basismateriaal een filament. We zien echter meer en meer printers die vertrekken van (vaak goedkopere) pellets als grondstof, die dan worden geëxtruteerd als filament of als “druppels” materiaal.

Toepassingen

Materiaalextrusie is een snelle en kosteneffectieve manier om (plastic) prototypes te produceren. Industriële FDM-systemen kunnen ook functionele prototypes produceren van technische materialen en, hoe langer hoe meer, tooling, gadgets, onderdelen van machines en werktuigen, enzovoort. Heel wat maakbedrijven produceren nu al (in-house of niet) stukken die worden ingezet in de productie of zelfs in eindproducten.

De eigenschappen van de geprinte stukken zijn anisotroop omwille van de hechting tussen de lagen; de dimensionele nauwkeurigheid van de printers/geprinte stukken is ook niet altijd optimaal.

Conclusie

Een artikel als dit kan onmogelijk meer zijn dan een introductie; misschien helpt het schema om de zaken figuurlijk wat in kaart te brengen. Voor verdere verdieping zijn er verschillende websites (waaronder de “knowledge base” van Hubs) die uitgebreid en in detail de verschillende technologieën bespreken. Met verdere kennisopbouw en/of de begeleiding van ervaren 3D-print specialisten, kunnen de meeste maakbedrijven ongetwijfeld voordelen halen uit het toepassen van 3D-printing.

Bron gebruikte iconen: Hubs

Bronnen: Hubs, Wikipedia.

Dit artikel verscheen eerst in Metallerie Magazine nr. 2001