Een inzicht in de verschillende kunststof 3D-printprocessen

29. oktober 2024

Sinds Chuck Hull in 1984 patent aanvroeg voor het eerste 3D-printproces, heeft deze technologie grote vooruitgang geboekt. Inmiddels kunnen talloze materialen - van ABS en nylon tot TPU - worden verwerkt met behulp van additive manufacturing, en ook de toepassingsgebieden van 3D-printen zijn de afgelopen decennia vermenigvuldigd.

Deze uitbreiding van mogelijkheden hangt nauw samen met de ontwikkeling van nieuwe 3D-printprocessen. En zelfs als deze uitbreiding uiteraard een groot aantal voordelen met zich meebrengt, kan het moeilijk zijn om door de mist van verwarring heen te kijken, vooral voor nieuwkomers in deze technologie.

Het is precies deze mist die deze blogpost nu zal optrekken. Hier krijgt u een kort inzicht in de meest gebruikte kunststof 3D-printprocessen, inclusief enkele voor- en nadelen, evenals een selectie van fabrikanten die 3D-printers voor dit proces produceren. Ik zal deze processen verdelen op basis van het gebruikte materiaal - en we beginnen dit overzicht met de printprocessen bij hars 3D-printen.

3D-printprocessen met hars

Sommige lezers vragen zich misschien af waarom ik niet begin met de meest voorkomende vorm van 3D-printen: filament 3D-printen. Welnu, 3D-printen met filamenten is de bekendste, maar niet de oudste manier om componenten te produceren met behulp van additieve productie.

Deze prestatie gaat naar 3D-printen met hars, of beter gezegd naar stereolithografie, die we zo dadelijk in meer detail zullen bespreken. Maar eerst hoe hars 3D-printen in principe werkt.

Vloeibare epoxyhars wordt gebruikt voor 3D-printen met hars. Deze hars hardt uit bij blootstelling aan UV-licht en wordt omgezet in plastic. Zoals bij alle soorten 3D-printen wordt het onderdeel in lagen opgebouwd - dat wil zeggen dat één laag wordt uitgehard, vloeibare hars wordt op deze laag aangebracht en vervolgens ook uitgehard.

De overgrote meerderheid van de processen maakt gebruik van een beweegbare bouwplaat, die in de hars wordt gedompeld en vervolgens laag voor laag verticaal beweegt. Aan het einde van het printproces moet het onderdeel altijd worden gewassen omdat er overtollig hars op zit en, indien nodig, nagehard om maximale mechanische prestaties te bereiken.

Aangezien 3D-printen met hars de oudste printtechnologie is, zijn er ook veel verschillende processen voor. Ik zal nu de belangrijkste hiervan afzonderlijk bespreken, namelijk stereolithografie, digitale lichtverwerking, gemaskeerde stereolithografie en het PolyJet™-proces.

Stereolithografie (SLA)

Zoals eerder vermeld is stereolithografie, meestal afgekort als SLA, het oudste gepatenteerde 3D-printproces. Bij dit proces wordt een tank volledig gevuld met hars en wordt het bouwplatform vervolgens bijna volledig naar de bodem van de tank neergelaten, zodat er slechts één laag tussen het bouwplatform en de bodem zit.

Deze laag wordt vervolgens uitgehard met behulp van een UV-laser die van punt naar punt beweegt en de geometrie van het onderdeel volgt. Zodra deze laag volledig is uitgehard, wordt het bouwplatform verhoogd met de hoogte van een andere laag, zodat deze ook door de laser kan worden uitgehard. Dit proces wordt vervolgens herhaald totdat het gehele onderdeel is uitgehard.

Ondanks de leeftijd is dit proces nog steeds de meest gebruikte vorm van 3D-printen met hars. Dit is vooral te danken aan de uitstekende nauwkeurigheid die dit proces biedt. Met een nauwkeurigheid tot ±0,05 mm is het ideaal voor het vervaardigen van assemblages en andere toepassingen die maximale precisie vereisen.

Een ander voordeel is de uitzonderlijke transparantie die met SLA kan worden bereikt. Het brede scala aan transparante materialen met een verscheidenheid aan aanvullende eigenschappen - van biocompatibel tot hittebestendig - maakt maximale transparantie mogelijk voor industrieën zoals de medische technologie of de fotonica.

De relatief lage printsnelheid moet echter als nadeel van deze technologie worden genoemd. Omdat de laser elke stip afzonderlijk uithardt, duurt het proces gemiddeld een stuk langer dan bij andere 3D-printmethoden. Bovendien zijn de instapkosten voor dit proces doorgaans behoorlijk hoog, omdat er geen desktopprinters met SLA-processen zijn.

Er is echter een ruim aanbod aan industriële printers van verschillende aanbieders. De bekendste hiervan zijn het Israëlisch-Amerikaanse bedrijf Stratasys® met zijn Neo®-serie, maar ook het Amerikaanse bedrijf 3D Systems®, ooit opgericht door Chuck Hull, met bijvoorbeeld de ProJet-serie.

Digital Light Processing (DLP)

Het DLP-proces beschrijft eigenlijk niet alleen een 3D-printproces, maar een projectietechnologie die ook in videoprojectoren wordt gebruikt. Deze werd in 1987 ontwikkeld door Larry Hornbeck van het Amerikaanse bedrijf Texas Instruments.

Eind jaren negentig begonnen experimenten met het gebruik van deze projectietechnologie voor additive manufacturing, wat uiteindelijk leidde tot EnvisionTEC's Perfactory - de eerste commercieel verkrijgbare DLP-printer - in 2002.

In principe lijkt het DLP-proces sterk op het SLA-proces, met als verschil de projectietechnologie waaraan het zijn naam dankt. In plaats van een laser die van punt naar punt beweegt, wordt de gehele harslaag in één keer uitgehard door UV-licht van de DLP-projector.

Het gebruik van deze projector resulteert in een veel hogere snelheid dan het SLA-proces. Het is natuurlijk lastig om algemene uitspraken te doen over de exacte snelheidswinst, maar het DLP-proces is grofweg tussen de 30 en 50% sneller dan stereolithografie.

Een ander voordeel is de veel lagere instapprijs van DLP-printers. De meeste desktop-hars-3D-printers zijn gebaseerd op het DLP-proces, wat betekent dat hobbyisten hars-3D-printen ook voor zichzelf kunnen gebruiken.

Een van de nadelen van dit proces is de lagere printresolutie vergeleken met andere harsprocessen. Dit valt op door een iets meer korrelig uiterlijk, maar meestal alleen als je het van heel dichtbij bekijkt. DLP-printers bieden ook geen buitensporige bouwvolumes, omdat de printresolutie vanaf een bepaalde afstand van de projector aanzienlijk zou dalen.

Toch zijn er natuurlijk enkele industriële DLP-oplossingen en leveranciers. Tot de bekendste fabrikanten behoren het Franse bedrijf Prodways met zijn ProMaker-serie, het hierboven genoemde Duits-Amerikaanse bedrijf EnvisionTEC, bijvoorbeeld met zijn Envision One, en opnieuw Stratasys® met zijn Origin® One.

Masked Stereolithografie (MSLA)

Het MSLA-proces bevindt zich tussen de SLA- en DLP-processen en combineert verschillende kenmerken van beide processen. Net als het DLP-proces maakt MSLA geen gebruik van een laser en, in tegenstelling tot DLP, geen projector, maar eerder een LED-licht dat selectief via een LCD-scherm op de uit te harden gebieden wordt gericht.

Dit proces hardt ook de hele laag in één keer uit. De rest van het proces, d.w.z. het verplaatsen van de bouwplaat, het afwassen van de component, enz., is echter identiek aan de SLA- en DLP-processen.

Dit proces, dat begin jaren 2010 werd ontwikkeld, combineert de grootste voordelen van de SLA- en DLP-processen: namelijk de snelheid van het DLP-proces gecombineerd met een uitstekende resolutie dankzij de 8K-resolutie van het LCD-scherm.

Qua prijs zit het in de middenmoot van de twee processen. Omdat een LCD-scherm met hoge resolutie duurder is dan een DLP-projector, kunnen zelfs de desktopversies de lage prijzen van DLP-printers niet bijhouden. Industriële MSLA-systemen zijn echter doorgaans nog goedkoper dan SLA-systemen.

De enige nadelen die het MSLA-proces in de symbiose van SLA en DLP niet kon vermijden, zijn enerzijds de nog steeds beperkte bouwvolumes als gevolg van de afnemende printresolutie op lange afstanden en anderzijds de nog steeds wat lagere printresolutie vergeleken met het SLA-proces.

Hoewel MSLA een relatief nieuw 3D-printproces is, zijn er ook verschillende aanbieders van industriële printsystemen. De bekendste hiervan zijn het Amerikaanse bedrijf Nexa3D® met zijn NXE 400Pro en XiP Pro en tastbare engineering GmbH uit Stuttgart met de Solidator 8K.

PolyJet™

Hoewel de drie tot nu toe genoemde processen erg op elkaar lijken, valt het PolyJet™-proces, ontwikkeld door het Israëlische bedrijf Objet Geometries in 1998, op. Hoewel hij nog steeds met UV-licht werkt, wordt er niet langer gebruik gemaakt van een harstank, maar van klassieke printkoppen.

Van deze printkoppen worden kleine druppeltjes hars op de bouwplaat aangebracht, die onmiddellijk worden uitgehard door het omringende UV-licht. De printkoppen zijn meestal stationair, terwijl het ronde platform roteert om snellere en consistentere printresultaten mogelijk te maken.

De voordelen van dit unieke proces zijn talrijk, maar het belangrijkste is duidelijk de mogelijkheid om meerdere materialen en kleuren tegelijk te printen. PolyJet™-machines hebben tussen de drie en acht materiaalkanalen, waardoor onderdelen uit meerdere materialen in één drukgang kunnen worden geproduceerd in plaats van dat ze verschillende productiefasen moeten doorlopen.

Een ander voordeel is de zeer gladde oppervlakteafwerking die kan worden bereikt met PolyJet™. Dit elimineert potentieel langdurige nabewerkingsstappen en maakt het daardoor mogelijk dat componenten sneller worden voltooid.

Om de stabiliteit van componenten te garanderen, is het PolyJet™-proces helaas enigszins beperkt qua hoogte - de maximale printhoogte voor de momenteel beschikbare PolyJet™-machines is 200 mm. Een ander nadeel zijn de hogere aanschafkosten, die nog steeds lager zijn dan die van SLA-machines, maar een stuk hoger dan die van DLP- of MSLA-printers.

Aangezien PolyJet™ een gepatenteerd proces is van Objet Geometries, dat in 2011 fuseerde met Stratasys®, is er slechts één fabrikant voor deze technologie. Stratasys® biedt echter machines voor diverse toepassingen, zoals de J35™ Pro voor prototyping, de DentaJet™ serie voor de tandheelkundige industrie, de J55 MediJet® voor de medische industrie en de J850™ Prime voor eindgebruiksonderdelen.

3D-printprocessen met filament

Na de oudste technologie binnen 3D-printen komen we bij wat duidelijk de bekendste technologie is: 3D-printen met filamenten. Filament 3D-printen heeft echter ook nog een paar jaar achter de rug: het FDM®-proces werd in 1988 gepatenteerd door Scott Crump, die een jaar later Stratasys® oprichtte, en een jaar later op de markt gebracht.

Filament 3D-printen is in principe gebaseerd op extrusie. Dit betekent dat filamenten in de printer boven het smeltpunt worden verwarmd en daarmee vloeibaar worden gemaakt, waarna een laag filament op de bouwplaat wordt geëxtrudeerd. Door het grote temperatuurverschil wanneer het de bouwplaat raakt, hardt het filament snel uit, waarna de volgende laag wordt aangebracht totdat het onderdeel klaar is.

De enige nabewerking die absoluut noodzakelijk is bij filament 3D-printen is het verwijderen van de ondersteunende structuren. Afhankelijk van het materiaal kunnen deze eenvoudig met de hand of met een flush cutter worden verwijderd.

In tegenstelling tot hars 3D-printen biedt 3D-printen met filamenten veel minder verschillende processen voor het vervaardigen van componenten. De twee belangrijkste hiervan zijn klassieke fused-deposition-modellering of fused-filamentfabricage en de nieuwere fused-granulaire fabricage.

Fused Depostion Modeling (FDM®) / Fused Filament Fabrication (FFF)

Het enige verschil tussen de FDM®- en FFF-processen is de naam. FDM® is de door Stratasys® gepatenteerde naam, daarom gebruiken andere fabrikanten de naam FFF.

Bij dit proces wordt gebruik gemaakt van dunne plastic draden, het filament waar het proces zijn naam aan ontleent en dat wordt gemaakt van klassiek plastic granulaat. Het hele proces is precies zoals hierboven beschreven, d.w.z. het filament verwarmen, extruderen, uitharden en uiteindelijk de drager verwijderen.

Het grootste voordeel van dit proces zijn de lage kosten. De aanschafkosten van FDM®- en FFF-printers zijn ongetwijfeld de goedkoopste van alle 3D-printen en ook de materiaalkosten zijn qua kostenefficiëntie van de hoogste klasse.

Op het gebied van materialen is een ander voordeel de zeer grote keuze uit verschillende en veelgebruikte materialen. Van ABS en ASA tot PEEK en TPU - FDM® of FFF 3D-printen biedt ongetwijfeld de grootste verscheidenheid aan materialen.

Deze verscheidenheid heeft echter nog niet het nadeel van een ruwer oppervlak kunnen oplossen. Voor toepassingen die zeer gladde oppervlakken vereisen, moet het oppervlak altijd opnieuw worden bewerkt bij gebruik van FDM®- of FFF 3D-printen, wat op zijn beurt tijd en moeite kost. Dit proces blijft ook achter bij anderen wat betreft printresolutie.

Hoewel het laatst besproken proces slechts één provider had, is het FDM®- of FFF-proces absoluut het proces met de meeste providers. Industriële systemen worden bijvoorbeeld aangeboden door Stratasys® met zijn F-serie, Markforged met de FX-serie en Roboze met de ARGO-serie.

Fused Granular Fabrication (FGF)

In preciezere zin verschilt het FGF-proces niet van FDM® en FFF in het proces zelf, maar in het gebruikte materiaal of de gebruikte materiaalvorm, omdat in plaats van filament het plasticgranulaat, bij 3D-printen vaak “pellets” genoemd, direct in dit proces wordt gebruikt.

Deze pellets worden via een hoppersysteem in de printer gevoerd, waar ze worden gesmolten en vervolgens geëxtrudeerd op de drukplaat. Hoewel de binnenkant van de printer verschilt tussen de FGF- en FDM®/FFF-processen, zijn beide processen in principe precies hetzelfde.

Het eerste voordeel van het FGF-proces wordt snel onderkend: namelijk de lagere materiaalkosten, omdat de pellets niet eerst in filament hoeven te worden omgezet. Gemiddeld kan tussen de 30 en 50 procent van de materiaalkosten worden bespaard door het gebruik van pellets.

Een ander voordeel is de mogelijkheid om langer ononderbroken te printen. Dankzij de pelletvorm kan de benodigde hoeveelheid materiaal rechtstreeks in de printer worden ingevoerd, terwijl u bij FDM® en FFF aan de betreffende spoelgrootte vastgeketend bent en deze steeds moet vervangen. FGF-printen is daarom ideaal voor projecten met grote volumes.

Helaas leidt de materiaalvorm echter ook tot verlies aan fijnheid van detail, omdat er gemiddeld meer materiaal in één keer wordt geëxtrudeerd. Bovendien zijn de aanschafkosten gemiddeld uiteraard hoger, omdat FGF-printen bijzonder effectief is voor componenten op groot formaat.

De verscheidenheid aan leveranciers voor FGF-printen is vanwege het specifiekere toepassingsgebied veel kleiner dan voor het FDM®/FFF-proces, maar er zijn nog steeds verschillende printsystemen om uit te kiezen - waaronder de EXT 1270 Titan Pellet van 3D Systems® en de ARGO 1000 van Roboze.

3D-printprocessen met poeder

Last but not least, laten we eens kijken naar 3D-printen met polymeerpoeders. Dit proces werd halverwege de jaren tachtig ook ontwikkeld, met name door Dr. Carl Deckard en Dr. Joe Beaman aan de Universiteit van Texas, maar pas in 1992 kwam de eerste poeder-3D-printer op de markt.

Bij dit soort 3D-printen wordt polymeerpoeder laag voor laag op een bouwplaat aangebracht, waar het vervolgens op verschillende manieren wordt samengesmolten voordat de volgende laag poeder wordt aangebracht en het proces doorgaat totdat het onderdeel is compleet.

Een algemeen voordeel van alle poeder-3D-printprocessen is het ontbreken van ondersteunende structuren. Doordat het poeder niet selectief maar over het gehele bouwplatform wordt aangebracht, dient het niet aan elkaar versmolten poeder tevens als draagstructuur. Dit overtollige poeder moet uiteraard nog steeds van het afgewerkte onderdeel worden verwijderd, wat de enige verplichte nabewerking is bij dit type 3D-printen.

De mogelijkheid om dit overtollige poeder te recyclen is ook voordelig voor alle daaropvolgende printprocessen. Na een kort screeningproces kan dit poeder eenvoudig worden hergebruikt met toevoeging van een bepaald percentage nieuw poeder, waardoor er geen materiaal wordt verspild.

De belangrijkste processen binnen deze vorm van 3D-printen zijn Selective Laser Sintering, het originele poedergebaseerde 3D-printproces, en Selective Absorption Fusion, ontwikkeld door Stratasys®.

Selectief lasersinteren (SLS)

Zoals de naam al doet vermoeden, maakt het SLS-proces gebruik van een laser om het poeder te smelten. Meestal wordt er gebruik gemaakt van een CO2- of infraroodlaser om voldoende vermogen te hebben om de afzonderlijke poederkorrels te laten samensmelten.

Voordat deze laser wordt gebruikt, wordt het poeder echter in de printer verwarmd tot net onder het smeltpunt. Dit verwarmde poeder wordt vervolgens op de bouwplaat gestrooid, waarna de laser selectief de voor het onderdeel benodigde gebieden aan elkaar smelt.

Zodra de eerste laag is gesinterd, wordt de bouwplaat één laag naar beneden bewogen, waarna een nieuwe laag poeder wordt aangebracht. Net als voorheen wordt dit proces herhaald totdat het onderdeel klaar is. Vervolgens wordt de bouwplaat verwijderd, gekoeld, overtollig poeder van het onderdeel verwijderd en indien nodig worden verdere nabewerkingsstappen toegevoegd.

Naast de hierboven genoemde algemene voordelen van poeder-3D-printen biedt het SLS-proces ook zijn eigen voordelen. Deze omvatten de zeer grote keuze aan materialen. SLS-poeders hebben een breed scala aan eigenschappen - van PP en TPU tot verschillende polyamiden zoals PA6 of PA12, optioneel ook met glaskraal- of koolstofvezelversterking.

Een ander voordeel in tegenstelling tot de daaropvolgende 3D-printprocessen is de vanafprijs. SLS is nu ook verkrijgbaar in een kleiner formaat, waarbij vooral de Poolse fabrikant Sinterit verschillende betaalbare desktop SLS-printers aanbiedt.

SLS-printen is echter ook een van de langzamere varianten van poeder-3D-printen. Net als bij SLA komt dit door de laser, die van punt naar punt moet bewegen en daardoor uiteraard veel meer tijd nodig heeft om een laag te smelten. Ook het oppervlak, dat bij poedercomponenten altijd wat ruwer is, blijft bij andere poederprocessen bij SLS achter.

De verscheidenheid aan leveranciers voor dit proces is vanwege de leeftijd vrij groot. Voor de industriële sector bieden onder meer 3D Systems® met zijn SLS 380, Nexa3D® met zijn QLS-serie en EOS GmbH met zijn P-serie ideale printoplossingen.

Selective Absorption Fusion (SAF™)

Het SAF™-proces is gebaseerd op het HSS-proces (High Speed Sintering), dat begin jaren 2000 werd ontwikkeld maar lange tijd in de prototypefase bleef, in 2021 door Stratasys® verder werd ontwikkeld tot het SAF™-proces en in 2022 ook op de markt werd gebracht met de H350.

Dit proces maakt geen gebruik van een laser, maar smelt. het poeder met behulp van een vloeistof en infraroodwarmte. De vloeistof, bekend als High Absorption Fluid (HAF™), wordt op het poeder aangebracht, dat in tegenstelling tot het SLS-proces niet wordt verwarmd, waarna de warmtebron wordt aangebracht. De HAF™ absorbeert nu veel meer van deze warmte en smelt zo het omliggende poeder gelijkmatig en nauwkeurig. De verdere processtappen zijn identiek aan het SLS-proces.

Dit proces beschikt onder andere over een veel hogere printsnelheid. Door een hele laag in één keer samen te smelten, kunnen snelheidswinsten tot 50% worden behaald vergeleken met conventionele SLS.

Een ander groot voordeel is de hoogste pakkingsdichtheid op de markt met het SAF™-proces. Gemiddeld is een pakdichtheid tot 40% mogelijk, in bepaalde gevallen zelfs tot 50%, waardoor de doorvoer van de 3D-printer enorm toeneemt.

Een nadeel is echter de zeer beperkte materiaalkeuze. Stratasys® biedt momenteel (juni 2024) slechts twee materialen aan en het proces is niet ontworpen voor materialen van derden. Daarnaast hebben onderdelen geprint met SAF™ altijd een grijze tint, wat voor bepaalde toepassingen ongeschikt kan zijn.

Er is momenteel slechts één fabrikant voor het SAF™ proces, namelijk Stratasys®. Ook is er tot op heden slechts één printer die dit proces toepast, namelijk de H350, waardoor de keuze voor dit proces duidelijk de kleinste is. Maar eerlijk is eerlijk: het proces is ook duidelijk het meest recente.

Conclusie

Zoals duidelijk is geworden in deze blogpost, is de verscheidenheid aan 3D-printprocessen enorm - ook al heb ik hier alleen de belangrijkste processen uitgelegd. Toch hoop ik dat ik met deze blogpost enig licht op de zaak heb kunnen werpen.

Als u expliciet geïnteresseerd bent in een van deze processen, zijn wij bij PartsToGo het ideale aanspreekpunt voor u. Dankzij ons grote printerportfolio en een groot aantal interne experts kunnen we samen met u de ideale oplossing voor uw vereisten vinden!

Van: Marco Lepple Marketing Content Manager

Gepubliceerd op 29. Oct 2024