De afgelopen jaren hebben niet alleen 3D-printers voor thuisgebruik met harsmaterialen de aandacht getrokken, maar ook 'metalen 3D-printers', die metalen materialen gebruiken. Omdat dit een methode is waarbij één laag tegelijk wordt gevormd, kan het worden gebruikt voor vormen die met andere methoden moeilijk te bewerken zijn. De bovenstaande oplossing wordt vooral gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en de medische industrie en maakt gebruik van de voordelen die 3D-printers bieden. In dit artikel leggen we de voor- en nadelen uit van metalen 3D printers, waarbij we ze vergelijken met gesmolten depositie 3D printers die harsmaterialen gebruiken. We schetsen ook de sectoren die hier waarschijnlijk van zullen profiteren.
Wat is een metalen 3D printer?
Een metalen 3D printer is een apparaat dat metalen materialen, zoals titanium, aluminium en roestvrij staal, vormgeeft op basis van 3D CAD gegevens. In het algemeen worden 3D printers die hars als modelleermateriaal gebruiken veel gebruikt in de industrie, maar de huidige situatie is dat er maar weinig bedrijven zijn die dure metalen 3D printers op de markt hebben gebracht.
Hoe werkt een 3D metaalprinter?
Op basis van doorsnedegegevens die met speciale software zijn gemaakt, maken 3D metaalprinters objecten van elke vorm door metaalmaterialen laag voor laag te combineren en het lamineren te herhalen. In tegenstelling tot het snijproces, waarbij een brok metaal wordt afgesneden, of het smeedproces, waarbij het metaal onder druk wordt gevormd, zijn metalen 3D-printers ontworpen om metalen materialen in lagen te verdelen en te vormen, zodat ze complexe vormen zoals gaasstructuren en holle ontwerpen aankunnen.
Een ander punt is dat metalen onderdelen kunnen worden gemaakt zonder een speciale mal te maken - vergelijkbaar met gieten.
Wat zijn de methoden voor 3D metaal printen?
Er zijn verschillende soorten 3D printers voor metaal. De meest populaire methoden die ze uitvoeren zijn:
- poederbedmethode,
- directed energy deposition methode,
- warm lamineren,
- bindmiddel-straalmethode
Hoe werkt de poederbedmethode in een 3D-printer?
De poederbedmethode is een gietmethode waarbij een straal wordt bestraald op een poederbed bedekt met metaalpoeder en het smelten en stollen voor elke laag wordt herhaald. Na het gieten met deze methode kan het poeder dat niet is bestraald door de bundel worden opgevangen en gezeefd voor hergebruik, waardoor materiaalverlies wordt voorkomen.Er zijn twee soorten bundels die leiden tot materiaalbewerking:,
- laser,
- elektron.
Hierbij moet worden opgemerkt dat de eigenschappen van het gevormde object die door elke warmtebron worden verkregen, verschillend zijn. Bijvoorbeeld - met een laser, in vergelijking met de elektronenbundel methode, is het mogelijk om een model te maken met een glad oppervlak, maar het is moeilijk om het toe te passen op materialen die de straal niet absorberen. Bovendien moet het gebruikte metaalpoeder een hoge mate van sfericiteit hebben en gemakkelijk vloeien, zodat het nauwkeurig kan worden verdeeld. Een veelgebruikte grondstof is daarom bolvormig poeder dat wordt verkregen door de 'gasatomisatie'-methode, waarbij een inert gas wordt gebruikt.
Gerichte energiedepositiemethode
Bij de gerichte energiedepositiemethode wordt een gemodelleerd product geproduceerd door een poeder of draad toe te voeren, het te smelten met een laser- of elektronenbundel en het te deponeren. Over het algemeen worden poeders gebruikt en aangeleverd met behulp van een inert gas. Omdat het geleverde materiaal zonder afval wordt gebruikt voor het model, is het een fabricageproces met weinig materiaalverlies en een goede productiviteit. De bovenstaande methode wordt meestal gebruikt om metalen onderdelen te repareren. Maar omdat het gebruikt kan worden om grote onderdelen met eenvoudige vormen te vormen, wordt het gebruik van dit schema in de ruimtevaart overwogen. Het voordeel van het gebruik van dit apparaat is dat het oppervlak bewerkt kan worden tijdens het vormen, waardoor nabewerking niet nodig is.
Wat is de warmelamineermethode?
De warmelaminatiemethode, ook bekend als 'materiaalextrusie', is een vormmethode waarbij metaalpoeder in een thermoplastische hars wordt gebracht en vervolgens tijdens het smelten wordt gelamineerd. De vorm kan dan naar believen worden gevormd en gecontroleerd met de thermoplastische hars, die zacht wordt bij verhitting. Omdat de hars na het gieten achterblijft, wordt deze verwijderd in een proces dat afschuimen wordt genoemd.
Na het sinteren van de afgeroomde vorm en het stollen van het metaalpoeder is het vormen klaar. Als de hars tijdens het sinteren wordt verwijderd, verdwijnt de spleet en krimpt het volume met ongeveer 20%. Daarom is het belangrijk om bij het ontwerp van de CAD-gegevens rekening te houden met de hoeveelheid krimp en een model van de juiste grootte te maken. De gesmolten lamineermethode wordt van oudsher gebruikt als 3D-printer voor hars.
Wat is de bindmiddelstraalmethode?
De bindmiddelstraalmethode is een methode waarbij een vloeibaar bindmiddel 'binder' vanuit een spuitmond op het metaalpoeder wordt gespoten. Nadat het bindmiddel voor elke laag is gespoten en gestold, wordt de modelleerplaat omlaag gebracht en wordt het poeder er opnieuw op geplaatst.
Dit proces wordt herhaald en uiteindelijk gesinterd in een oven of verwarming op hoge temperatuur om het bindmiddel te verwijderen. Gedurende deze tijd krimpt het model met ongeveer 20%, dus bij het modelleren moet rekening worden gehouden met de verandering in materiaalvolume. Objecten die geproduceerd zijn met de bindmiddelmethode hebben vaak een lagere dichtheid dan objecten die geproduceerd zijn met de poederbedmethode, wat een probleem vormt in praktische toepassingen. Momenteel is dit de gietmethode die wordt gebruikt voor kleine onderdelen met fijne vormen.
Wat zijn de voordelen van 3D printers voor metaal?
3D printers voor metaal hebben voordelen ten opzichte van conventionele verwerkingsmethoden zoals snijden, gieten en smeden, en er zijn hoge verwachtingen voor hun verdere technologische ontwikkeling in de toekomst.
3D metaal printer:
- Kan metalen onderdelen printen met een uitstekende sterkte en duurzaamheid.
- Het biedt productie op korte termijn van prototypes en producten in kleine series.
- Prototypes kunnen gemakkelijk worden geproduceerd dankzij de lagere kosten.
Wat zijn de nadelen van 3D printers voor metaal?
3D printers voor metaal hebben verschillende voordelen, maar het zijn geen universele apparaten. Er zijn namelijk drie nadelen die we moeten noemen:
- Het gebruik van de apparatuur vereist kennis van modelleren.
- De initiële kosten zijn duur.
- 3D metaalprinters zijn duur in gebruik.
Wetenswaardigheden
Met 3D printers voor metaal kunnen materialen gestapeld en gevormd worden, dus zelfs complexe vormen die moeilijk te snijden zijn kunnen geproduceerd worden. Bij het snijden is het moeilijk om een koelwaterleiding in de mal te installeren, omdat er een limiet is aan het gebied dat door het gereedschap kan worden uitgesneden. Met 3D metaalprinters is het echter mogelijk om zelfs holle structuren te gieten en producten te maken die niet gemaakt kunnen worden met conventionele bewerking. Dergelijke apparatuur is ook geschikt voor 'moeilijk te bewerken materialen' die te ingewikkeld zijn om te snijden. Bijvoorbeeld: tot nu toe werden onderdelen van titaniumlegeringen in de lucht- en ruimtevaartindustrie geproduceerd door gieten en machinaal bewerken. Een titaniumlegering is echter een moeilijk te bewerken materiaal, dus 3D-printers voor metaal die niet hoeven te worden gesneden zijn in gebruik genomen en met succes in de praktijk gebracht.
3D printers in de geneeskunde
3D metaalprinters zijn ook geschikt voor producten in de medische industrie. Hier is het belangrijk om kunstbotten en kunstgebitten af te werken in een vorm die overeenkomt met het skelet en de vorm van het gebit van elke patiënt. Het traditionele gietproces vergt tijd en moeite om de mal voor elke patiënt opnieuw te bewerken. Als je een metalen 3D-printer gebruikt, kun je de vorm van het product eenvoudig veranderen door de CAD-gegevens te corrigeren. Op deze manier zijn metalen 3D printers een productieproces dat geschikt is voor hoge variatie en lage volumeproductie.
Voorbeelden van 3D metaalprinters in de industrie
3D metaalprinters worden gebruikt in de volgende industrieën vanwege hun vele voordelen:
- Medisch gebied.
- Ruimtevaart.
- Auto-industrie.
Medisch gebied
In de medische industrie beginnen 3D metaalprinters effectief te worden gebruikt. Dit komt omdat het nodig is om 'kunstmatige botten' en 'prothesen' te maken die ontworpen zijn in de optimale vorm voor de patiënt. 3D-metaalprinters kunnen de vorm vrij controleren met behulp van CAD-gegevens, zodat voor elke patiënt het optimale model kan worden gemaakt. Daarom krijgen zelfs in Japan steeds meer bedrijven en onderzoeksgroepen 'farmaceutische goedkeuring (goedkeuring vereist voor productie en marketing)' voor kunstmatige botten die zijn gemaakt met metalen 3D-printers.
Luchtvaart
Metalen 3D printers kunnen ook worden gebruikt in de luchtvaartindustrie. Metalen 3D printers zijn geschikt voor turbinebladen en verbrandingsstraalpijpen in vliegtuigmotoren, die complexe vormen hebben die moeilijk te gieten en te snijden zijn. GE Aviation, een Amerikaanse fabrikant van vliegtuigmotoren, is erin geslaagd om een verbrandingsstraalpijp te modelleren die daadwerkelijk in een motor is geïnstalleerd. Normaal gesproken werden meer dan 20 onderdelen geassembleerd, maar met behulp van metalen 3D-printers kan het product worden geïntegreerd.
Auto-industrie
Auto's gebruiken een groot aantal titanium materialen, die moeilijk te snijden zijn, en onderdelen met complexe vormen. De auto-industrie is daarom een gebied dat gemakkelijk kan profiteren van de voordelen van 3D-metaalprinters. De Italiaanse autofabrikant Bugatti produceert een model dat uitsluitend bestaat uit onderdelen die zijn gemaakt met een 3D-metaalprinter. Het model is echter een supercar die beperkt is tot 40 stuks en is niet in serieproductie gegaan. 3D-metaalprinters zullen vaker worden gebruikt als de uitdagingen van massaproductie kunnen worden overwonnen.
Hoe gebruik je een metalen 3D printer en hoe snij je?
Snijden met een bewerkingscentrum of NC-draaibank heeft een uitstekende bewerkingsnauwkeurigheid. Gebruik daarom klassiek snijden als de vorm gemakkelijk kan worden geproduceerd. Als de vorm van het product echter complex is, houd er dan rekening mee dat het soms moeilijk te bewerken is omdat er geen mes in kan worden gestoken. Bovendien is het moeilijk om lemmetbestendige materialen te snijden, zoals 'titanium', dat tijdens het snijden gemakkelijk vlam vat, en 'roestvrij staal', waar gesmolten metaal gemakkelijk aan het lemmet blijft kleven. Als het product een complexe vorm heeft en niet gefabriceerd kan worden of als u moeilijk te snijden materialen wilt verwerken, kunt u beter een 3D printer voor metaal gebruiken.
Bovendien kan het gebruik van een 3D metaalprinter voor producten die meerdere snijprocessen vereisen, het productieproces verkorten en ze in korte tijd produceren. Als je materiaalverlies wilt voorkomen, is het een goed idee om een metalen 3D printer te gebruiken. In de praktijk gebruiken metalen 3D printers alleen de benodigde hoeveelheid materiaal, waardoor er minder grondstoffen worden verspild en de productiviteit toeneemt.
Samenvatting
3D metaalprinters worden vooral gebruikt in situaties waar snijden, gieten en smeden moeilijk zijn en voor producten met complexe vormen. De initiële kosten en de gebruikskosten zijn echter erg hoog, en dat is een probleem dat niet gemakkelijk te introduceren is in vergelijking met een 3D-printer die gebruik maakt van de versmolten lamineermethode. Hoe dan ook - het is een duur en ingewikkeld apparaat, maar als we een niche kunnen vinden waar we het kunnen gebruiken, is het de moeite waard.