Geavanceerde 3D Printing materialen: Een uitgebreide gids over prestaties, toepassingen en innovaties

In het enorme aanbod van 3D printen is de keuze van 3D printmaterialen bepalend voor het bereiken van het beoogde doel in elk project. Een cruciale factor die de mogelijkheden van 3D printen bepaalt, is de verscheidenheid aan beschikbare materialen. Elk materiaal verschilt in zijn toepassingseigenschappen. PLA, ABS, PETG en Nylon zijn populairder vanwege hun bruikbaarheid en aanpasbaarheid aan verschillende toepassingen.

Titanium, roestvrij staal en andere metalen zoals aluminium worden voornamelijk gebruikt voor industriële doeleinden. In deze toepassingen zijn sterkte en duurzaamheid cruciaal. Keramiek wordt gebruikt vanwege de hoge temperatuurtolerantie en slijtvastheid. Vezels zoals koolstof zorgen voor sterkte en lichtgewicht eigenschappen, terwijl harsen, vooral fotopolymeren, worden gebruikt voor precisiewerk in de tandheelkunde en juwelenindustrie.

Afhankelijk van de gekozen materialen hebben ze hun rol en voegen ze kenmerken toe aan het gebied van additieve productie. Dit artikel biedt een diepgaande verkenning van de ontwikkeling van materialen die worden gebruikt bij 3D-printen, hun prestatievergelijking, geschikte toepassingen en kostenvergelijking. Aan het einde van deze gids zult u een duidelijk inzicht hebben in de materialen. U weet dan welk materiaal het meest geschikt is voor uw vereisten op het gebied van 3D printen.

Soorten 3D Printing materialen

Polymeren

De meeste 3D Printing materialen zijn polymeren omdat ze veelzijdig zijn en op veel gebieden kunnen worden gebruikt. PLA heeft de reputatie milieuvriendelijk te zijn en eenvoudig om mee te werken. Daarom is het geschikt voor beginnende gebruikers en voor het maken van prototypes. ABS biedt meer sterkte en stabiliteit die ideaal zijn voor veeleisende toepassingen. PETG heeft zowel PLA- als ABS-kenmerken en biedt stevigheid en chemische weerstand voor gebruikte onderdelen. Nylon is tegelijkertijd het meest robuuste, flexibele en slijtvaste materiaal, geschikt voor technische toepassingen met hoge belasting. Sommige polymeren hebben een hoge sterkte en worden meestal gebruikt in de ruimtevaart, terwijl andere worden gebruikt in printplaten vanwege hun flexibiliteit.

Polymeermaterialen zijn cruciaal geweest voor de vooruitgang van de 3D-printtechnologie, die begon in de jaren 1980 met de commercialisering van stereolithografie. Kritische polymeren zoals polyamiden en PLA ontstonden aan het begin van de 20e eeuw en belangrijke AM-precursoren werden ontwikkeld in de jaren 1920 en 1940. FFF en SLS werden voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1980 en vroege jaren 1990, en ze profiteerden van de technologische expansie van computers.

Toen de patenten begin 2000 afliepen, breidde de toepassing van 3D-printtechnologie zich uit naar andere industrieën, zoals de medische en luchtvaartindustrie. Na 2010 hebben verbeterde materialen zoals intelligente polymeren AM uitgebreid van proto-typering tot directe tooling en productie van eindproducten. Bovendien hebben goedkopere en beschikbare software en open-source tools 3D-printen voor het grote publiek een boost gegeven.

3D printproces voor polymeer en composieten

Gelamineerde objecten maken is een veelgebruikt 3D printproces. Het wordt echter niet aanbevolen voor het maken van objecten van polymeren, net als selectief lasersinteren en direct metaal lasersinteren, omdat deze processen goed zijn ingeburgerd voor het maken van objecten van polymeren en polymeercomposieten met behulp van FFF-, SLA-, MJ-, BJ- en PBF-processen.

Alle methoden worden gekenmerkt door verschillende toepasbaarheid en bepaalde eigenschappen, afhankelijk van de omstandigheden van het polymeer, zoals vorm, toestand of andere fysische eigenschappen. Er moet echter rekening worden gehouden met een aantal beperkingen telkens wanneer een specifieke techniek voor 3D printen wordt gekozen, zoals compatibiliteit met bepaalde materialen, bruikbare kosten, vereisten op het gebied van resolutie en de complexiteit van de gebruikte geometrieën.

Dit overzicht introduceert en verklaart deze methoden, schetst de soorten polymeren die kunnen worden gebruikt en beschrijft hun voor- en nadelen, die in het volgende diagram worden weergegeven.

Bron: https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representations-of-3D-printing-techniques13_fig2_373843699

Fotobron: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

Fotobron: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

Metalen

Essentiële metalen zoals titanium, roestvrij staal en aluminium spelen een belangrijke rol in wereldwijd 3D printen voor industrieel gebruik vanwege hun sterkte, flexibiliteit en lichte gewicht. Titanium is uitstekend geschikt voor de ruimtevaart en de geneeskunde. Roestvrij staal is zeer veelzijdig en robuust. Aluminium is licht en geleidt warmte gemakkelijk.

Titanium: Sterkte en biocompatibiliteit

Titanium is een geliefd metaal geworden bij 3D printen, vooral voor toepassingen die sterkte, superieure corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit vereisen. De lichte maar sterke structuur maakt het ideaal voor onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart. Dit is vooral belangrijk voor de volgende generatie vliegtuigen, waar het minimaliseren van de massa zonder afbreuk te doen aan de sterkte cruciaal is.

De biocompatibiliteit van titanium maakt het geschikt voor gebruik in de medische industrie. Het is vooral waardevol bij de productie van implantaten en prothesen die integreren met het menselijk lichaam.

Het hoge smeltpunt en de hoge reactiviteit van titanium maken 3D printen uitdagend. Specifieke methoden zoals EBM en SLM zijn nodig om de printomgeving onder controle te houden en oxidatie te voorkomen.

Het volgende diagram toont een algemene workflow voor het maken van een 3D-geprint titanium onderdeel met behulp van SLM:

Roestvrij staal: Veelzijdigheid en duurzaamheid

Een ander veelgebruikt 3D Printing materiaal is roestvrij staal. Het staat bekend als elastisch en corrosiebestendig. Het biedt een uitstekende combinatie van sterkte, flexibiliteit en corrosiebestendigheid. Dit maakt het geschikt voor gebruik in bijna alle industrieën, van auto-onderdelen tot huishoudelijke artikelen.

Voor roestvrij staal in 3D printen kunnen DMLS en Binder Jetting in verschillende vormen en kaders worden gebruikt dankzij de flexibiliteit van de twee productieprocessen en hun hoge mate van nauwkeurigheid bij het 3D printen van vormen.

Het helpt ook bij het maken van functionele onderdelen die bestand zijn tegen hoge slijtage en ontworpen zijn om te werken in extreme omgevingsomstandigheden.

Hieronder ziet u een diagram van het DMLS-proces voor roestvrij staal, waarin wordt geïllustreerd hoe elke laag wordt gesmolten tot een stijf en stevig onderdeel.

Aluminium: Lichtgewicht en hoge geleidbaarheid

Door zijn lage dichtheid en goede thermische en elektrische geleidbaarheid is aluminium zeer gewild bij 3D Printing. Deze eigenschappen maken het vooral belangrijk bij de productie van auto's en elektrische toepassingen, waar gewichtsvermindering en warmteafvoer essentieel zijn.

Aluminiumlegeringen die gebruikt kunnen worden voor 3D Printing, AlSi10Mg, worden geprint via SLS of DMLS. Met deze technieken kunnen kleine, lichtgewicht onderdelen met complexe vormen worden gemaakt die met conventionele processen niet kunnen worden gemaakt of duur zouden zijn.

Deze eigenschap verklaart ook waarom aluminium wordt gebruikt voor onderdelen die koellichamen, zoals warmtewisselaars en behuizingen voor elektrische apparatuur.

Deze figuur illustreert het SLS proces voor aluminium. Het geeft aan dat de vereiste mechanische eigenschappen van het eindproduct haalbaar zijn door de hoge mate van nauwkeurigheid en controle die inherent is aan het proces.

Keramiek

Keramiek wordt veel gebruikt bij 3D Printing vanwege zijn superieure eigenschappen bij hoge temperaturen en slijtvastheid. Deze materialen hebben een hoge mate van thermische weerstand en weerstand tegen corrosie; daarom zijn ze geschikt voor de luchtvaart-, auto- en energie-industrie.

Specifieke toepassingen, zoals turbinebladen, hitteschilden of andere hoogwaardige motorproducten, vereisen bijvoorbeeld de integratie van keramische componenten vanwege hun duurzaamheid en thermische stabiliteit.

Enkele technieken die worden toegepast om keramiek te maken met behulp van 3D Printing zijn SLS of Binder Jetting, omdat hiermee vormen kunnen worden gemaakt die niet eenvoudig met conventionele methoden kunnen worden gemaakt.

Bovendien wordt het gebruik van keramiek steeds belangrijker in toepassingen waar slijtage-eigenschappen zo cruciaal zijn vanwege hun hoge hardheid en lage wrijvingscoëfficiënt. Dit is essentieel in industrieën zoals productie en mijnbouw, waar keramische voeringen en spuitmonden de duurzaamheid van de apparatuur kunnen verhogen en reparatiekosten kunnen minimaliseren.

Met behulp van geavanceerde keramische 3D-printtechnologieën worden complexe onderdelen met uitgebreide geometrieën en strakke dimensionale controles gemaakt om hoge prestaties te leveren in agressieve bedrijfsomstandigheden.

Composieten

Hoogwaardige materialen zoals CFRP worden steeds populairder en beïnvloeden de manier waarop 3D-printen wordt uitgevoerd, omdat ze zorgen voor een hoger rendement. sterkte en stijfheid en een laag gewicht. Koolstofvezelcomposieten worden het meest gewaardeerd om hun treksterkte en stijfheid en zijn daarom zeer gewild in toepassingen waar sterke en lichte materialen nodig zijn, zoals in de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en de sportartikelenindustrie.

Door koolstofvezels toe te passen in een polymeermatrix kunnen onderdelen worden gemaakt die sterker zijn en lichter wegen dan conventionele materialen.

De integratie van composieten in 3D Printing maakt het ook mogelijk om structuren te ontwerpen met onconventionele geometrieën, wat met andere technieken niet mogelijk is. Deze composietmaterialen worden vervolgens verwerkt via fused deposition modeling (FDM) met koolstofvezel flat line/lint of een andere composietbenadering met verdere controle en richting over de richting van deze uitgelijnde vezels.

Vergelijking van materiaaleigenschappen

Technische toepassingen van 3D-printmaterialen

Polymeren: Veelzijdige materialen voor prototypes en consumentenproducten

Polymeren zijn essentieel bij 3D Printing, vooral voor prototyping, consumentenproducten en onderwijs. PLA (polymelkzuur) is een van de meest gebruikte materialen vanwege de lage prijs, de hoge printsnelheid, de milieuvriendelijkheid en het glanzende, gladde oppervlak, dat bijzonder geschikt is voor geometrische modellen en niet-bruikbare onderdelen.

Aan de andere kant wordt nylon gebruikt voor de productie van onderdelen die flexibel en robuust moeten zijn en wordt het gebruikt in mechanismen, scharnieren, tandwielen en andere geforceerde onderdelen. Door zijn sterkte en slagvastheid kan nylon materiaal gebruikt worden voor toepassingen op een hoger niveau en als overgang van het model- naar het productieniveau in verschillende sectoren.

Metalen: Materialen met hoge sterkte voor industriële toepassingen

Vanwege hun uitstekende eigenschappen zijn metalen onmisbaar in verschillende industrieën, zoals de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en medische apparatuur. Het is veelzijdig vanwege zijn lichte gewicht en hoge sterkte, waardoor het geschikt is voor vliegtuigonderdelen of chirurgische apparatuur. Roestvast staal wordt gekozen omdat het bestand is tegen slijtage en roest, waardoor het de beste optie is voor gebruik in auto-onderdelen en zelfs medische instrumenten waar betrouwbaarheid essentieel is en de onderdelen waarschijnlijk gedurende lange tijd zullen worden blootgesteld aan zware omstandigheden.

Met deze metalen kunnen ingewikkelde en zeer betrouwbare onderdelen worden gemaakt die cruciaal zijn in moderne technische en productieprocessen.

Keramiek: slijtvaste materialen voor hoge temperaturen

Het wordt gebruikt in toepassingen die een hoge sterkte en thermische stabiliteit vereisen, zoals turbinebladen in de luchtvaart of hittebestendige onderdelen op vele gebieden. Ze bieden ook zeer hoge en stabiele prestaties bij hoge temperaturen, wat van toepassing is op biomedische toepassingen, waarbij duurzame en geschikte implantaten voor lichaamsweefsel worden geleverd.

Dankzij deze eigenschappen is keramiek bestand tegen verschillende omstandigheden en betrouwbaar in industriële en medische toepassingen.

Composieten: Lichtgewicht en zeer sterke materialen

Het gebruik van composieten is geschikt voor gevallen waarin de sterkte en het gewicht van het materiaal van belang zijn, bijvoorbeeld het onderdeel van een drone of artikelen die als sportmaterialen worden beschouwd. Deze materialen, zoals met koolstofvezel versterkte polymeren, hebben een hoge treksterkte en zijn licht, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in onderdelen die een hoge sterkte en wendbaarheid vereisen.

Op deze gebieden verhoogt het gebruik van composieten de prestaties en effectiviteit zonder dat dit ten koste gaat van de sterkte.

Toekomstige trends in 3D Printing materialen

Naarmate de 3D-printtechnologie zich blijft ontwikkelen, wordt er aanzienlijke vooruitgang verwacht in de materialen die worden gebruikt voor additieve productie. Biocompatibiliteit en milieuvriendelijkheid zijn twee belangrijke trends, aangezien het elektrodemateriaal zowel biocompatibel als milieuvriendelijk kan zijn. Nu de aandacht verschuift naar milieugevoeligheid, ontwikkelt de trend zich naar materialen die goede prestaties leveren maar milieuvriendelijk zijn. Deze materialen zullen van pas komen in de medische sector, waar biocompatibele polymeren en metalen zullen worden gebruikt voor implantaten en kunstledematen, waardoor de impact op het milieu wordt beperkt zonder afbreuk te doen aan de medische normen.

Daarnaast wordt aangenomen dat vooruitgang in materiaalmengsels en composieten het potentieel van additieve productie verder zal vergroten. Volgende generaties composieten zullen nog betere mechanische eigenschappen bezitten, zoals een hoge sterkte/gewicht, hoge flexibiliteit en hittebestendigheid, waardoor deze technologieën ook kunnen worden toegepast in de ruimtevaart, de automobielindustrie en algemene consumentengoederen. Door polymeren, metalen en keramiek te integreren, kunnen materiaaleigenschappen nauwkeurig worden afgestemd voor productie en ontstaan nieuwe mogelijkheden voor 3D-printen in verschillende industrieën.

Conclusie

Nogmaals, een van de meest kritische factoren van elk additief productieproject is het materiaal dat wordt gebruikt bij 3D printen. Elk materiaal heeft eigenschappen die de prestaties, levensduur en kwaliteit van het eindproduct kunnen verbeteren, belemmeren of zelfs veranderen. Titanium en aluminium hebben bijvoorbeeld een hoge sterkte/gewicht verhouding die wenselijk zijn voor de ruimtevaart en auto's, terwijl PLA en Nylon geschikt zijn voor respectievelijk prototyping en consumentengoederen.

Hiertoe kunnen de mechanische eigenschappen, thermische weerstand en kosten van de beschikbare materialen worden vergeleken en beslissingen worden genomen op basis van de behoeften van de projecten die de fabrikanten in gedachten hebben. Dit proces verbetert niet alleen de functionaliteit en betrouwbaarheid van het eindproduct, maar bespaart ook kosten in het productieproces of de productielijn.