3D-printers

3D printen, een vernieuwing binnen de industrie

Productie van prototypes, kleine series of reserveonderdelen: met 3D printen kunnen veel processen in bedrijven worden versneld en kosteneffectiever worden gemaakt. Bedrijven moeten tegenwoordig immers flexibel en snel reageren om de ontwikkeling binnen de branche bij te houden. Bijvoorbeeld bij het ontwerpen van nieuwe producten of in complexe productieprocessen waarbij een defecte machine onmiddellijk tot een hoger financieel risico leidt.

Al in 1983 ontwikkelde Chuck Hull een manier om fotopolymeren vanuit hun vloeibare toestand in een vaste massa om te zetten door selectieve UV-straling. Deze zogenaamde stereolithografie was de basis voor de ontwikkeling van de 3D printer, dat in hetzelfde jaar begon.

Waarom 3D printen?

Er is veel gebeurd sinds de eerste toepassing van 3D printen. Het aantal te gebruiken materialen is flink toegenomen. Ondertussen kan naast kunststof ook beton, papier, metaal of organisch weefsel worden gebruikt. Dit wordt mogelijk gemaakt door verschillende fabricageprocessen, zoals selectieve lasersintering of fused deposition modelling. De 3D-printers zijn daarnaast ook in kwaliteit en resultaten verbeterd. Sinds 2014 is het mogelijk om meerdere vloeibare materialen in één print te combineren. Bovendien heeft het lichtgewicht ontwerp van de modellen minder gewicht dan objecten van traditionele productiemethoden zoals spuitgieten. Deze snelle ontwikkeling wekte de belangstelling van de economie. Aanvankelijk begon de automotive met het produceren van prototypes. Dit proces breidde zich snel uit naar andere industrieën. Ondertussen is 3D printen een van de standaards in prototyping omdat het de tijd verkort voor planning, ontwikkeling en fabricage van een nieuw product (rapid prototyping).

Voor de productie van kleine series, onderdelen of reserveonderdelen is het 3D printen ook geschikt. Vooral wanneer industriële productie te tijdrovend en duur is, is 3D printen een goed alternatief en kunnen verschillende series of onderdelen direct achter elkaar worden geproduceerd. Een vervanging van bijvoorbeeld gietvormen is niet nodig.
Een ander gebied waarop het proces zich heeft bewezen, is het maken van gereedschappen en matrijzen. In plaats van te vertrouwen op externe leveranciers, kan een gereedschap of matrijs in korte tijd en in eigen beheer worden geproduceerd.

Wat zijn de voordelen van 3D printen?

Het gebruik van deze technologie heeft enkele voordelen voor bedrijven. Deze zijn vooral in het verminderen van fouten en het lagere materiaal en arbeid. Dit resulteert in een snellere, goedkopere productie.

• Voorkomen van fouten
  Vooral in de ontwikkelingsfase van nieuwe producten zijn fouten in ontwerp en functie normaal. De 3D modellen kunnen op korte termijn en in een vroeg ontwikkelingsstadium worden gebruikt. Op deze manier kunnen fouten eerder worden gedetecteerd en geëlimineerd dan bij de productie van objecten met de hand of met behulp van vormen. Omdat deze klassieke benaderingen tijdrovend zijn, worden prototypes vaak op een later tijdstip gebruikt, zodat fouten pas duidelijk worden nadat er werk en tijd is ingestoken. Hetzelfde geldt voor de andere redenen om 3D afdrukken te gebruiken. Zo kan de productie van een klein aantal onderdelen tussendoor worden gestopt en gerepareerd en niet alleen aan het einde van de productie.
  Hoe hoger de kwaliteit van een 3D-printer, des te preciezer en betrouwbaarder het origineel wordt gereproduceerd. Het is bijvoorbeeld mogelijk om objecten van verschillende materialen te produceren en de eigenschappen van het product te modelleren. Veelkleurig of transparant, rubberachtig of stevig, met bewegende delen of zonder. Thermoplastische kunststoffen, fotopolymeren en composieten kunnen vrijwel alle materiaaleigenschappen bieden en zijn bestand tegen nabewerkingsprocessen zoals schilderen of polijsten. Op deze manier zijn het uiterlijk en het gevoel van de modellen, in tegenstelling tot digitale ontwerpen op de computer, het eindproduct. Het testen van de objecten onthult gebreken die in het eindproduct veel tijd en geld zouden kosten om te verbeteren. Dit betekent dat prototypes in een vroeg ontwikkelingsstadium kunnen worden afgedrukt en fouten kunnen worden geëlimineerd.
  Bovendien zijn de eenmaal gemaakte modellen op de computer willekeurig veranderbaar en reproduceerbaar. Als het eerste ontwerp van het prototype fouten bevat of als er bijvoorbeeld iets in het ontwerp moet worden verbeterd, hoeven alleen de essentiële onderdelen te worden gewijzigd. Nadien kunnen de printers meteen de volgende generatie van het prototype produceren.

• Reduceren van materiaalverbruik
  De exacte productie van de gewenste vorm vermindert het materiaalverbruik. De 3D printer bouwt de modellen in de vereiste grootte en vorm. Dit is een essentieel verschil met de onderdelen, waarvan de prototypes eerst hun vorm krijgen door te snijden, slijpen of boren. Vanwege het lage materiaalverbruik en de lagere energie- en arbeidsinput is de productie goedkoper.

• Vermindering van de werkdruk
  De werkdruk kan op verschillende manieren worden verminderd. Enerzijds worden de kosten en de tijd die nodig zijn tijdens de ontwikkeling verminderd omdat prototypes vroeg worden getest. De productie van gietmallen en hun vervanging wordt stopgezet zodra een nieuwe productserie begint. De afgedrukte onderdelen zijn klaar, nabewerking is grotendeels geëlimineerd. Bovendien zijn de kosten onafhankelijk van de gedrukte hoeveelheid en vrij van schaalvoordelen. Dit betekent dat het produceren van zeer kleine hoeveelheden 3D afdrukken niet duurder is dan het produceren van grote hoeveelheden. In de klassieke productie nemen de productiekosten doorgaans af naarmate de productievolumes toenemen.

• Versnelling van de productie
  Het korte en flexibele gebruik van 3D printen leidt uiteindelijk tot een versnelling van de productie. Dit omvat het verminderen van de ontwikkelingsinspanning en de werklast. Dit geldt met name voor de productie van reserveonderdelen. Zonder 3D printen moet, in het ergste geval, de productie worden gestopt totdat een vervangend onderdeel wordt geleverd. Aan de andere kant produceert een 3D printer de vereiste onderdelen op locatie volgens het just-in-time-principe.

Wat zijn de nadelen van 3D printen?

• De moeite die het kost om een afdrukbare sjabloon te ontwerpen, mag niet worden onderschat en vereist specifieke kennis.
• Afdrukken duurt enkele uren of dagen, afhankelijk van de complexiteit van het object.
• Massaproductie is nog niet mogelijk omdat de klassieke productie goedkoper is vanaf een bepaalde hoeveelheid.