Overzicht
poederbed 3d printer is een additieve productietechnologie die zeer geschikt is voor het verwerken van hoogwaardige thermoplasten en metalen die niet gemakkelijk geprint kunnen worden met extrusiemethoden. Een laser- of elektronenbundel versmelt laag voor laag regio's van een poederbed op basis van CAD-gegevens om complexe 3D-objecten te construeren.
De belangrijkste subcategorieën zijn:
Polymeer poederbedfusie (PBF) met een CO2- of IR-laser, en Metaalpoederbedfusie (MPBF) met fiber lasers of elektronenbundels. Beide bieden concurrerende functionaliteit die onmogelijk is met traditionele productietechnieken op het gebied van lichtgewicht ontwerp, assemblageconsolidatie, aanpassing aan de wensen van de massa en prestatieverbetering.
Deze gids geeft een technisch overzicht van verschillende poederbed 3D printtechnologieën en materialen, samen met toepassingen, systeemoverwegingen en toekomstige trends.
Types van Poederbed 3D Printers
Er zijn verschillende soorten additieve productieapparatuur die gebruikmaken van de poederbedfusiemethode:
| Categorie | Beschrijving |
|---|---|
| Selectief lasersinteren (SLS) | Polymeerpoeder verkleinen met een CO2-laser |
| Multi Jet Fusion (MJF) | Bindt plastic poeder met inkjet fixeer- en detailleringsmiddelen |
| Selectief lasersmelten (SLM) | Volledig samenlassen van metaalpoeder met fiberlaser |
| Direct metaallasersinteren (DMLS) | Smelt metaalpoeder door middel van lasersmelten |
| Elektronenbundelsmelten (EBM) | Gebruikt elektronenbundel in vacuüm om metaalpoederbedden te smelten |
Polymeer poederbed fusieprinters
Selectief lasersinteren (SLS) systemen verdelen een dunne laag fijn polymeerpoeder over een bouwkamer en passen thermische energie toe van een CO2 laserstraal volgens elke doorsnede van het 3D CAD model. Het poeder smelt of sintert samen bij verhitting en stolt tijdens het afkoelen tot het object.
Populaire materialen voor SLS zijn onder andere:
- Nylon (PA12, PA11, PA6)
- Thermoplastische elastomeren (TPE)
- TPU en andere geavanceerde flexibele harsen
Toonaangevende SLS-printers zijn onder andere EOS, 3D Systems, Farsoon en Ricoh.
Multi Jet Fusion (MJF) maakt ook gebruik van polymeerpoederbedden, maar een smeltmiddel en detailleringsmiddel worden selectief gedeponeerd door inkjetprintkoppen over de lagen in combinatie met infraroodverwarming om prints met een hoge resolutie te maken. Het maakt multi-materiaal en multi-kleur objecten mogelijk. Gebruikelijke MJF-harsen:
- HP 3D PA12 met hoge herbruikbaarheid
- HP 3D PA11 met hoge herbruikbaarheid
- HP 3D TPA met hoge herbruikbaarheid
HP is momenteel de belangrijkste leverancier van MJF-technologie met zijn Jet Fusion serie. Desktop Metal heeft ook het Fiber AM-systeem op basis van MJF uitgebracht.
Metaal Poederbed Fusion Printers
Selectief lasersmelten (SLM) De apparatuur richt uiterst nauwkeurige fiberlaserenergie in een inerte gasomgeving op dunne lagen metaalpoeder om de deeltjes volledig te smelten en laag voor laag te versmelten tot dichte structuren die rechtstreeks gebaseerd zijn op CAD-geometrieën.
Elektronenbundelsmelten (EBM) printers gebruiken een krachtige elektronenbundel als consolidatiewarmtebron om metalen poederdeeltjes volledig te smelten over elke laag in een vacuümatmosfeer. De snelle verwerking leidt tot onderdelen met eigenschappen die lijken op die van gegoten materialen.
Gebruikelijke legeringen voor MPBF zijn onder andere:
- Roestvrij staal (316L, 17-4PH, 15-5)
- Gereedschapsstaal (H13, S7)
- Titaanlegeringen (Ti-6Al-4V)
- Aluminiumlegeringen (AlSi10Mg)
- Nikkel superlegeringen (Inconel 718)
- Kobaltchroom (CoCr)
Alle toonaangevende leveranciers van metaal AM-apparatuur, zoals EOS, Renishaw, 3D Systems, GE en SLM Solutions, bieden poederbedfusiemachines aan.
Afdrukproces voor poederbed 3d printer
De algemene stappen van de additieve productieworkflow voor alle poederbedfusievarianten:
- CAD-model importeren en onderdeel optimaal oriënteren
- Virtueel in plakjes snijden en laserscantrajecten genereren
- Verdeel de afgemeten hoeveelheid poeder gelijkmatig over het op te bouwen oppervlak
- Selectief materiaal smelten volgens doorsnede met laser of ebeam
- Bouwplaat laten zakken en nieuwe laag poeder aanbrengen
- Herhaal de lagencyclus totdat het volledige object en de steunen zijn gebouwd
- Object uit poederkoek verwijderen en ongesmolten gebieden herstellen
- Onderdelen nabewerken - reinigen, warmtebehandelen, machinaal bewerken enz.
Alle poederbedprocessen vereisen uitgebreide nabewerkingen zoals steunverwijdering, oppervlaktebewerking en behandelingen voor functioneel gebruik.
Materialen voor poederbed 3d printer
Eigenschappen polymeerpoeder
| Materiaal | Dikte | Treksterkte | Rek % | Toepassingen |
|---|---|---|---|---|
| PA12 | 0,9-1,1 g/cm3 | 45-65 MPa | 15-50% | SLS prototyping polymeer voor algemeen gebruik |
| TPU 92A | 1,1-1,3 g/cm3 | > 6 MPa | 220-240% | Flexibele, rubberachtige onderdelen via SLS |
| PEEK | 1,3-1,4 g/cm3 | 100 MPa | 30-60% | Kunststof onderdelen met hoge sterkte |
Metaal Poeder Soorten
| Legering | Dikte | Smeltpunt | Toepassingen |
|---|---|---|---|
| Aluminium AlSi10Mg | 2,7 g/cm3 | 600°C | Lichtgewicht aero- en auto-onderdelen |
| Titaan Ti-6Al-4V | 4,4 g/cm3 | 1655°C | Implantaten en structuren met hoge sterkte |
| Gereedschapsstaal H13 | 7,7 g/cm3 | 1320°C | Duurzaam gereedschap voor spuitgieten en extrusie |
| Roestvrij staal 316L | 8,0 g/cm3 | 1375°C | Corrosiebestendige vaten, kleppen, hardware |
| Inconel 718 | 8,2 g/cm3 | 1260-1336°C | Hitte- en kruipbestendige vliegtuigonderdelen bij hoge temperaturen |
Toepassingen van poederbed 3d printer
Polymeer onderdelen
- Functionele prototypes met eigenschappen die lijken op kunststoffen uit de echte wereld
- Aangepaste consumptiegoederen zoals hoesjes voor mobiele telefoons of schoeisel
- Interieur en verlichtingscomponenten van auto's
- Inductiemallen en opspanmallen
- Hoge temperatuur mallen en leidingen voor chemicaliën
Metalen onderdelen
- Turbinebladen en brandstofinjectorprototypes voor de ruimtevaart
- Biocompatibele titanium implantaten voor knieën, heupen, schedel- en wervelkolomchirurgie
- Lichtgewicht chassis, remmen en aandrijflijnonderdelen voor raceauto's en vliegtuigen
- Conforme koelkanalen geïntegreerd in spuitgietmatrijzen
- Op maat gemaakte tandheelkundige copings, substructuren en bruggen
- Hittebestendige uitlaatspruitstukken en gereedschapinzetstukken
Kopersgids voor Poederbed 3D Printers
Het selecteren van een ideaal poederbedfusiesysteem hangt af van:
| Criteria | Belangrijke overwegingen |
|---|---|
| Envelop bouwen | Maximale afmetingen van onderdelen mogelijk. Van 5 inch tot 500 mm+ |
| Materialen | Beschikbare harsen van polymeren tot reactieve metalen die voldoen aan de toepassingsbehoeften |
| Precisie | X-Y resoluties van ~100 micron tot 5 micron voor fijne details |
| Oppervlakteafwerking | Zijwandkwaliteit variërend van 15 micron tot 150+. Kan nabewerking vereisen. |
| Automatisering | Handmatige of geautomatiseerde poederverwerking. Closed-loop verwerking heeft de voorkeur. |
| Software | Generatieve ontwerpintegratie voor topologieoptimalisatie. Snel snijden. |
| Prijsbereik | Systeemkosten vooraf van $100K tot meer dan $1M. Houd ook rekening met de bedrijfskosten. |
| Doorlooptijden | Schema's voor installatie en levering. Duur van operatortraining. |
Enkele toonaangevende modellen:
Starter - EOS Formiga P110 SLS-systeem, $100K
Professioneel - 3D Systems DMP Factory 500, $400K
Industrieel - GE Additive X Lijn 2000R, >$1M
Toekomstperspectief
Poederbedfusiesystemen zullen zich blijven ontwikkelen:
- Grotere bouwomhulsels van meer dan 500 mm lang
- Extra polymeermaterialen zoals PEKK en PPSF
- Legeringen met hogere mechanische prestaties
- Verbeterde recyclebaarheid van poeder en verwerking in een gesloten kringloop
- Baanbrekende oppervlakteafwerking zonder machinale bewerking
- Geïntegreerde real-time smeltbadbewaking en aanpassingen
- Aanvullende hybride systemen met inline kwaliteitsborging
- Sterk verhoogde productiviteit door hoger laservermogen en hogere scansnelheden
Naarmate technische barrières worden overwonnen en de productiekosten worden geoptimaliseerd, zal AM de productie transformeren in sectoren als de ruimtevaart, medische apparatuur en de auto-industrie tot consumentenproducten door gedistribueerde, gedecentraliseerde productie van onderdelen voor eindgebruik in commerciële volumes mogelijk te maken.
Veelgestelde vragen
V: Hoe duur zijn poederbedfusie metaal 3D printmachines in vergelijking met kunststof systemen?
A: Industriële metaalpoederbedprinters variëren van $300.000 tot meer dan $1 miljoen, terwijl apparatuur op basis van polymeren begint bij $100.000. De bedrijfskosten zijn ook 5-10X hoger voor metaal en inerte verwerking. De bedrijfskosten zijn ook 5-10X hoger voor metalen materialen en inerte verwerking.
V: Welk formaat onderdelen kunnen 3D geprint worden met poederbedfusie technologie?
A: Metalen machines zijn geschikt voor kubussen van maximaal 500 x 500 x 500 mm, terwijl polymeren tot 800 x 500 x 375 mm kunnen worden gemaakt. Grotere enveloppen van meer dan een meter lang zijn ook verkrijgbaar.
V: Welke materialen kunnen worden verwerkt met poederbed 3D printen?
A: Alle hoogwaardige en engineering-grade thermoplasten zoals PEEK, ULTEM, PPSF kunnen worden geprint die moeilijk zijn voor FDM extrusie. Op metalen komen roestvrij staal, titanium- en nikkellegeringen, gereedschapsstaal, kobaltchroom en meer in aanmerking.
V: Hoe goed is de nauwkeurigheid en afwerking van het oppervlak dat uit een poederbedprinter komt vóór nabewerking?
A: De maatnauwkeurigheid na nabewerking is ongeveer ±0,1-0,3%, terwijl toleranties van minder dan 50 micron mogelijk zijn. De oppervlakteruwheid bij het afdrukken varieert aanzienlijk tussen 15-150 micron vóór nabewerking.
V: Welk poederbedfusieproces biedt de hoogste bouwsnelheden - SLS, DMLS of EBM?
A: Elektronenbundelsmelten (EBM) biedt extreem hoge opbouwsnelheden tot 40 cm3/uur, waardoor een zeer hoge productiviteit mogelijk is. DMLS biedt gematigde snelheden, terwijl SLS relatief vrij langzaam is.
V: Hoe duurzaam is poederbed AM in vergelijking met het bewerken van metalen en kunststoffen?
A: Alle poederbedtechnologieën hergebruiken meer dan 90% ongesmolten poeder na het bouwen voor recycling. Lichtgewicht geoptimaliseerde geometrieën besparen ook materialen. Energieverbruik blijft een aandachtspunt.
V: Welke factoren zijn bepalend voor de prijs van poederbedfusiedrukservices?
A: Materiaalkosten, bouwtijd, arbeid, afwerking, het 3D-printermodel, het productievolume en de sector van de koper bepalen tegenwoordig in grote mate het prijsniveau van industriële AM-onderdelen.
V: Welke industrieën zijn op dit moment de grootste gebruikers van poederbedfusie-additive manufacturing?
A: Luchtvaart, medische sector, auto-industrie, machineontwerpbedrijven die zich richten op mallen, opspansystemen en gereedschappen vormen meer dan 60% van de commerciële klanten die AM-productietoepassingen met polymeren en metalen onderzoeken.
V: Welke gespecialiseerde software is er nodig om 3D CAD-modellen optimaal voor te bereiden en af te drukken?
A: Snijsoftware zoals Materialise Magics en SLM Build Processor oriënteren onderdelen automatisch voor de beste geometrie en eigenschappen en passen scanparameters aan. Sommige printerleveranciers bundelen eigen softwaretools.
