Een uitgebreide gids voor 3d-printmaterialen
Table of Contents
- Soorten 3D-printtechnologieën en voorkeursmaterialen
- Kunststoffen in 3D-printen
- Metalen 3D-printen
- Keramiek en exotische materialen 3D-printen
- Composietmaterialen en 3D-printen
- Hoe u uw ideale 3D-printmateriaal selecteert
- Naverwerking van 3D-geprinte objecten
- De toekomst van 3D-printmaterialen
- De afhaalmaaltijd
- Lees verder
3D-printtechnologie heeft de afgelopen jaren een revolutie teweeggebracht in de productie en het productontwerp. 3D-printen, ook bekend als additive manufacturing, bouwt objecten laag voor laag op met behulp van materialen zoals kunststoffen, metalen, keramiek en composieten. Als de mogelijkheden van Hardware en materialen voor 3D-printen blijven zich ontwikkelenadopteren steeds meer industrieën deze technologie. Maar nu er zoveel machines en materiaalopties beschikbaar zijn, kan het voor nieuwkomers overweldigend worden. Deze gids is bedoeld om een uitgebreid overzicht te geven van veelgebruikte 3D-printtechnologieën en -materialen.
Soorten 3D-printtechnologieën en voorkeursmaterialen
Er bestaan verschillende methoden voor het samensmelten van materialen tijdens het laagjesproces bij 3D-printen:
- Gesmolten afzettingsmodellering (FDM) printers extruderen verwarmde thermoplastische filamenten door een mondstuk op de bouwplaat. ABS- en PLA-kunststoffen worden veel gebruikt.
- Stereolithografie (SLA) stolt vloeibare hars tot gehard plastic met behulp van een ultraviolette laserstraal, gericht door scannende spiegels. Harsen zijn geformuleerd voor lage viscositeit en snelle uithardingstijden.
- Selectief lasersinteren (SLS) sintert fijne plastic-, keramische- of metaalpoeders samen met een krachtige laser. Er zijn geen ondersteunende structuren nodig en er kunnen complexe interne kenmerken worden geproduceerd.
- Ddirect Metaal Laser Stussenkomen (DMLS) is een vergelijkbare poederbedtechnologie die speciaal is ontworpen voor de verwerking van zeer sterke metaallegeringen.
Andere methoden, zoals materiaalspuiten en bindmiddelspuiten, kunnen in kleur printen of exotische metaallegeringen gebruiken. De mogelijkheden blijven zich uitbreiden naarmate de 3D-printtechnologieën en -materialen vooruitgang boeken.
Kunststoffen in 3D-printen
Materiaalingenieurs blijven de mogelijkheden van thermoplastische materialen voor FDM-printen verder ontwikkelen. Hier zijn een paar geavanceerde filamenten geschikt voor het printen van duurzame eindproducten:
- ASA (acrylonitril-styreenacrylaat)biedt UV-bestendigheid in de buurt van ABS en is bestand tegen buitenweer.
- PC (polycarbonaat)produceert supersterke kunststofcomponenten die in sommige gevallen machinaal bewerkte metalen onderdelen kunnen vervangen. Voor een goede hechting tussen de lagen is echter kennis van het printen essentieel.
- TPU (thermoplastisch polyurethaan) en flexibele TPE-filamentenmaken rubberachtige prints mogelijk met uitzonderlijke buigbaarheid voor toepassingen zoals wearables of op maat gemaakte handvatten.
- PEEK (polyetheretherketon)is bestand tegen agressieve chemicaliën en sterilisatieprocedures, waardoor het geschikt is voor de productie van medische apparatuur en wetenschappelijke hulpmiddelen. De exorbitant hoge prijs van PEEK-filament beperkt de acceptatie buiten de industrie echter ernstig.
Metalen 3D-printen
Tot voor kort waren metalen uitsluitend het domein van dure SLS- of DMLS-industriële printers in de lucht- en ruimtevaart- en medische sector. Roestvrij staal, titanium, nikkel en aluminiumlegeringen worden vaak gebruikt. Kleinere metalen 3D-printers ontworpen voor werkplaatsen, universiteiten en ontwerpstudio's breiden nu de toegang uit dankzij lagere hardwarekosten. De meeste maken gebruik van gebonden metaalafzetting om composietfilamenten te extruderen die tot 70% metaalpoeder bevatten.
1. Roestvrij staal met hoge sterkte en corrosiebestendigheide
Bedrukken van roestvrij staal zorgt voor uitzonderlijke dimensionale stabiliteit voor onderdelen die buitenshuis worden gebruikt of worden blootgesteld aan chemicaliën. De laaghechting van gebonden metaalafzetting maakt het zelfs mogelijk om bruggen of overhangen zonder ondersteuning te printen. Onderdelen kunnen na het sinteren worden bewerkt, getapt en gepolijst, waardoor de eigenschappen lijken op traditioneel vervaardigd roestvrij staal.
2. Titanium Extreem licht en sterkg
De lucht- en ruimtevaartindustrie werkt vaak met titaniumlegeringen omdat de sterkte-gewichtsverhouding groter is dan die van aluminium. 3D-printen van complexe titaniumonderdelen uit één stuk vermijd de lasverbindingen die machinaal bewerkte titaniumstructuren verzwakken. De hoge prijzen van titaniumpoeder blijven een barrière buiten industrieën zoals de autosport die op zoek zijn naar lichtgewicht metalen componenten.
3. Aluminium: een toegankelijk alternatief metaall
Aluminium wordt op grote schaal gebruikt dankzij het lage gewicht en de corrosieweerstand. Metaal 3D-printen maakt het mogelijk om op maat gemaakte aluminium onderdelen te consolideren die in het verleden als assemblages zijn gebouwd. Tooling-prototypes, robotica-componenten en ontwerpmodellen profiteren er allemaal van 3D-geprint aluminium. Naarmate de printerkosten verder dalen, kunnen kleine bedrijven snel aluminiumgereedschap gebruiken zonder afhankelijk te zijn van externe leveranciers.
Keramiek en exotische materialen 3D-printen
Technisch keramiek gemaakt van aluminiumoxide, zirkoniumoxide en siliciumcarbide vereist extreem hoge temperaturen en precisiegereedschappen om efficiënt te kunnen worden bewerkt. Onderdelen zoals keramische pompwaaiers en raketgeleidingssystemen waren voorheen onmogelijk te produceren buiten gespecialiseerde gieterijen. 3D-printen elimineert deze barrières met poederbedtechnologieën die complexe keramische componenten sinteren.
Bovendien gaan de mogelijkheden verder dan alleen keramiek. Naarmate er meer onderzoek wordt gedaan naar het gebruik van metaal- en keramische poeders met bindmiddeljetting, kunnen zelfs zeldzame en kostbare materialen zoals zilver of goud in 3D worden geprint. De technologie kan op maat gemaakte medische implantaten of elektronica mogelijk maken waarin geleidende sporen worden geïntegreerd die zijn afgedrukt met echte koper- of grafeenpasta. We beginnen nog maar net de potentiële overspanning te verkennen 3D-geprint keramiek, glas en exotische materialen.
Composietmaterialen en 3D-printen
Hoewel kunststoffen, metalen en keramiek de conventionele materialen blijven die bij de productie worden gebruikt, bieden composieten die polymeren combineren met andere versterkingen superieure mechanische eigenschappen die niet haalbaar zijn met conventionele methoden.
1. 3D-geprinte koolstofvezelcomposieten
FDM-afdrukken met koolstofvezel filament vult onderdelen met een lichtgewicht en stijf polymeer. De stijve filamenten vereisen mondstukken van gehard staal om slijtvaste componenten te printen die sterker zijn dan nylon en bijna aluminium. toepassingen variëren van op maat gemaakte quadcopterframes tot hoogwaardige auto-onderdelen.
2. Met metaal en hout gevulde composieten
Bij Fused Deposition Modeling worden standaard ABS- en PLA-kunststoffen ook gemakkelijk gecombineerd met metaalpoeders of houtpulp om de esthetische, thermische en functionele eigenschappen te veranderen. Met messing, koper en brons doordrenkte prints lijken visueel op machinaal bewerkt metaal, terwijl ze het lichtere gewicht van plastic behouden. Met hout gevulde klaagzang legt zelfs realistische graanpatronen vast voor meubelprototypes.
Hoe u uw ideale 3D-printmateriaal selecteert
Nu er zoveel machines en materialen beschikbaar zijn voor elke toepassing en elk budget, vergt het goed afstemmen van de printtechnologie op de ontwerpdoelen en materiaalvereisten onderzoek en overweging van de volgende sleutelfactoren:
- Onderdeelfunctionaliteit - Zal het lasten of zware omgevingsomstandigheden ondergaan??
- Maatnauwkeurigheid en printprecisie zijn vereist
- Mechanische eigenschappen zoals stijfheid, slijtvastheid of temperatuurlimieten
- Materiaalkosten - Exotische filamenten kunnen premiumprijzen hebben
- Gemak van nabewerking - De printsteunen van sommige materialen zijn gemakkelijker te verwijderen
- Uw 3D-printermodel en specificaties - De materiaalmogelijkheden variëren.
Een vergelijking van populaire 3D-printmaterialen met behulp van de belangrijkste kenmerken
| Materiaal | Eigenschappen | Afdrukparameters | Kosten |
|---|---|---|---|
| PLA | Gemiddelde sterkte, lage flexibiliteit, gemiddelde duurzaamheid | 180-230CC | Laag |
| buikspieren | Sterk, matig flexibel, zeer duurzaam | 210-250CC | Medium |
| PETG | Sterk en flexibel, hoge duurzaamheid | 230-260CC | Medium |
| TPU | Gemiddelde sterkte, zeer hoge flexibiliteit, gemiddelde duurzaamheid | 220-250CC | Gemiddeld hoog |
| Nylon | Hoge sterkte en flexibiliteit, uitstekende duurzaamheid | 240-260CC | Hoog |
| KIJKJE | Extreem sterk, minimaal flexibel, zeer hoge duurzaamheid | 360-400CC | Heel hoog |
| Hars | Sterkte en duurzaamheid variëren per type, niet flexibel, UV-uitgehard | N.v.t | Hoog |
Ervaring opdoen blijft cruciaal voordat je complexe builds probeert. Voortdurende materiaalinnovaties geven 3D-printers ook elk jaar meer mogelijkheden. Het verwijzen naar kwantitatieve gegevens zoals veiligheids- of technische bladen helpt ingenieurs en ontwerpers bij het selecteren en kwalificeren van het optimale materiaal voor elke toepassing.
Naverwerking van 3D-geprinte objecten
Een nieuwe print rechtstreeks van de bouwplaat voldoet zelden aan de vereisten. Verschillende afwerkingsprocessen verbeteren de sterkte, esthetiek en functionaliteit:
- Ondersteuningsstructuren verwijderen– Breek de steunen los of los ze op in chemische baden.
- Schuren en vijlen– Verzacht oppervlakkige overgangen tussen lagen die zichtbaar zijn in prints.
- Primeren en schilderen– Met name SLA-afdrukken moeten worden gladgemaakt, verzegeld en geverfd om de stappen van de printlaag te verbergen die na het schuren zichtbaar worden.
- Onderdelen verbinden- Lijm componenten met behulp van oplosmiddelen, epoxy's of MABS-lasnaden.
- Metalen afdrukken– Vereist ontbindings- en sintercycli om polymeren af te branden en de poeders tot vaste metalen te laten samensmelten.
De toekomst van 3D-printmaterialen
3D-printen blijft zich uitbreiden van niche-doeleinden voor rapid prototyping naar de productie van definitieve onderdelen in verschillende sectoren. Met schaalvoordelen, lagere printerkosten en een breder scala aan materialen is een toekomst van volledig gedistribueerde en on-demand productie plausibel. Maar echte duurzaamheid hangt af van het hervormen van toeleveringsketens om hulpbronnen te behouden naarmate de technologieën zich ontwikkelen.
Doorbraken binnen hernieuwbare bioplastics en groene chemie kan afval en energieverbruik tijdens materiaalsynthese voor 3D-printers minimaliseren. Recycleerbaarheid moet ook meer aandacht krijgen bij de formulering van nieuwe composieten of technische polymeren. Met gezamenlijke inspanningen van bedrijven, onderzoekers en toezichthouders zou 3D-printen klimaatvriendelijke en eerlijke toegang tot geproduceerde goederen wereldwijd kunnen bieden.
De afhaalmaaltijd
Naarmate printers en materialen steeds meer precisie, kracht en functionaliteit bieden tegen lagere kosten, zijn de mogelijkheden eindeloos. Met kennis van de fundamentele methoden, materialen en nabewerkingstechnieken die hier aan bod komen, kunnen ingenieurs 3D-printen gebruiken om geheel nieuwe productontwerpen en bedrijven voor te stellen. Het handhaven van verantwoorde en duurzame praktijken terwijl 3D-printen zich verder verspreidt, zal ervoor zorgen dat de technologie zich ontwikkelt naar een rechtvaardige en welvarende toekomst wereldwijd.