Deze week ging onze wekelijkse les aan de Universiteit van de derde leeftijd Leuven over dit thema. Dr. Ir. Peter Mercelis van LayerWise Nv bracht deze presentatie, waarvan het thema door velen wordt beschouwd als de start van de derde industriële revolutie, met verve.
Met drie dimensionaal printen gaat men aan de slag met een 3 D-printer.
 |
| Toren met wenteltrap (stereolithografie) |
Men gaat digitale “bouwtekeningen” (computerbestanden) zogenoemd drukken of “Printen” als driedimensionale voorwerpen. Men gaat het object laag na laag opbouwen. Het gehele proces heeft de naam "rapid prototyping". Nu is"rapid" wel een understatement, zo snel gaat het nu ook niet echt. In tegenstelling tot de systemen die tot nu toe werden gebruikt met freezen en draaien, vanuit een blok ruw materiaal een voorwerp produceren en afval scheppen, produceert men hier enkel het voorwerp. Vroeger waren hiervoor ook mallen nodig, maar deze techniek laat veel gecompliceerder structuren toe.
Onderzoek loopt sinds de eind jaren tachtig. Het printproces zelf is ontstaan uit een aantal projecten van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) rond de eeuwwisseling. In de eerste plaats was het doel in een minimum van tijd een prototype model te maken. Nu gaat het er vaak om reproductieve modellen te maken die in verschillende toepassingen gebruikt kunnen worden.
Het MIT heeft na een succesvolle research, licenties overgedragen voor het commercieel produceren en gebruiken van deze technologie. De eerste toepassingen waren met een metaal als productiestof. De volgende stap was het produceren van modellen gebaseerd op andere stoffen, zoals keramiek.
België staat aan de wereldtop met Materialise en Layerwise (niet toevallig in het Leuvense) als spin-offs van de Katholieke Universiteit Leuven.
Een veelgebruikte methode bij 3D-printen is het gebruikmaken van een fijn poeder (gips, plantaardige stoffen, bioplastics, polyurethaan, polyester, epoxy, enz.) zoals inkjetprinters gebruiken, waarbij er telkens lagen van dit poeder met elkaar verbonden worden zodat deze een vaste vorm aannemen. Deze bindingen worden gedefinieerd door een CAD bestand. Deze methode is de enige methode waarbij je een model volledig met kleuren kunt uitprinten. Het is ook de snelste methode.
Fused deposition modeling (FDM) ook Fused Filament Fabrication (FFF) is een ander procédé, waarbij gesmolten polymeren op een supportlaag worden gespoten en het model zo laag per laag wordt opgebouwd.
Een andere methode is het gebruikmaken van vloeistoffen, zoals fotopolymeer door eenzelfde inkjet-type kop, waarbij men ook telkens laag per laag print. Vervolgens wordt er een UV licht aan de printkop geactiveerd dat iedere liquide laag tot een vaste laag maakt. Deze methode is ook bekend onder de naam stereolithografie.
Een gelijksoortige printmethode is het gebruiken van een speciale gel die beschoten wordt door een laser op de plekken die solide moeten zijn. Vervolgens wordt de niet-solide gel van de solide gel gewassen. Uit deze methode kan men objecten modelleren die kleiner zijn dan 100 nm, alsook complexe modellen. De tussenbindingslaag die de verschillende lagen bindt, kan men na het creëren van het model vervolgens manueel verwijderen of, mits het gebruikmakend van duurdere printertypes is het zelfs mogelijk deze laag op te lossen in een vloeistof door het model erin te dompelen. Het resultaat is een hol model dat vrij accuraat zijn virtuele origine nabootst.
Een nieuwere methodiek welke men tegenwoordig gebruikt is die van het printen met een metaal als grondstof. Net zoals de gewone methode wordt er hier gebruikgemaakt van een metaalpoeder. De metalen modellen die hieruit worden geproduceerd, hebben meestal het doel als een onderdeel te dienen voor een groter model. Het maakt trouwens niet uit welke modelleringssoftware men gebruikt voor het model, zolang deze het model kan uitvoeren in het formaat dat gebruikt wordt door de printersoftware.
De resolutie van de huidige printers is tussen de 328 x 328 x 606 dots per inch (DPI) op HD-resolutie tot 656 x 656 x 800 DPI in ultra HD-resolutie. De nauwkeurigheid gaat van 0,025 mm tot 0,05 mm per inch. De grootte van een model kan oplopen tot 737 mm x 1257 mm x 1504 mm. Het detail van het model wordt bovendien ook nog ingesteld via het aantal polygonen (veelhoeken) waaruit het model bestaat.
In de hedendaagse wereld wordt deze toepassing vooral gebruikt in bedrijven die concepten nodig hebben en tijd willen besparen met het zelf creëren van modellen door deze op de achtergrond te laten printen. Hierbij behoren de medische wetenschap, de architectuur, mode en design, maar ook de entertainmentindustrie zoals de spellenindustrie en filmindustrie tot de gebruikers. Ook kunstenaars gebruiken deze machine om hun creaties in een relatief korte tijd in een vaste vorm te krijgen.
Tegenwoordig is er ook een algemene groei van bedrijven die zich specialiseren in het printen van 3D-modellen met name ten behoeve van andere ondernemingen.
In principe hoeft een consument met een eigen 3D-printer en de benodigde materialen van een product dat hij wil hebben en daarvoor in aanmerking komt slechts de "bouwtekening" te bestellen; hij kan dan het product zelf door de printer laten maken. Onlangs nog bood het bedrijf Defense Distributed in de VS bestanden aan voor de onderdelen van een eenvoudig enkelschotspistool via het internet. (men had dan enkel nog de slagpin van metaal nodig en een patroon). Op bevel van de autoriteiten werd dit snel van het internet verwijderd. Er zijn nu 3D-printers vanaf 500 euro, maar die hebben niet zo'n hoge resolutie en zijn niet al te snel: het maken van een schaakstuk duurt bijvoorbeeld nog zeker een uur.
Tegenwoordig bestaan er al designs van hobbyisten van 3D-printers die veel goedkoper te produceren zijn. Een paar honderd euro als investering is genoeg. Bovendien gebruiken deze andere, goedkopere printmaterialen, met name plastic. Enkele van deze initiatieven heten de RepRap, Ultimaker en Cartesio. Ze worden onder andere gebruikt voor het printen van mechanische onderdelen en behuizingen voor hobbyprojecten. Intrigerend genoeg is een belangrijk deel van de onderdelen van de RepRap als ontwerp beschikbaar en te printen met een 3D-printer. Deze printer wordt dan ook ingezet om andere 3D-printers te kunnen maken.
Zoals ene Johannes Cruyff het stelde "Hebbe elk voordeel, ook zijne nadeel" en voor 3D printen is dit ook zo. Aan de voordeelzijde zien wij:
- de quasi onbeperkte vormvrijheid
- rechtstreekse productie vanuit een computermodel
- productie van implantaten op basis van CT en MRI scans.
- de beperking in te gebruiken materialen
- de maximale afmetingen van de voorwerpen
- de prijs van de productietechniek.
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene). Een thermoplastic die kan worden gebruikt door een 3D printer voor de fabricage van voorwerpen. Vaak wordt ABS gebruikt als afkorting, hier wordt dan in de praktijk verwezen naar ABS filament.
AMF (Additive Manufacturing File) format of ook wel STL 2.0. Dit is een verbeterde versie van STL. Waar STL gebruikt maakt van rechte lijnen voor het opmaken van een object wordt er bij AMF gebruik gemaakt van kromme lijnen. Hierdoor heb je minder driehoeken nodig om tot hetzelfde resultaat te komen.
Bed. De plaat waar een 3D printer de onderdelen op print
Bowden extruder. Een extruder die niet direct boven de hot end geplaatst is maar aan de buitenkant van de printer. Dit zodat de printkop lichter is en zo hogere snelheden kan halen.
Belt (een getande tandriem). Gewoonlijk vezel versterkt om uitrekken te voorkomen. Een tandriem wordt gebruikt om de beweging van de motor over te brengen op andere onderdelen van de machine.
BOM (Bill Of Materials). De onderdelenlijst. Er zijn onderdelenlijsten voor de hele 3D printer en voor individuele componenten.
CAD (Computer Aided Design). Dit betekend ontwerpen met behulp van de computer. Een CAD-pakket is een ontwerp- en tekenpakket dat wordt gebruikt door ingenieurs en architecten . Het bekendste voorbeeld is AutoCAD. Men onderscheidt 2D en 3D. Tegenwoordig heb je ook programma’s die gebruiksvriendelijker zijn.
CAM (Computer Aided Manufacturing). Computergestuurde fabricage. Met een CAM-programma voert men uit wat met CAD ontworpen is.
Carriage. Het bewegende wagentje op de X-as van een 3D printer waar de extruder op rust. Vaak naar gerefereerd als: x-carriage.
Copolymeren zijn additieven die in polymerenmixen zitten met de bedoeling om bepaalde eigenschappen aan het hoofdpolymeer te geven.
Alle polymeren hebben bepaalde gewenste eigenschappen, maar brengen daarbij ongewenste eigenschappen in de mix. Een goed voorbeeld is Styreen, welke een transparant en nauwkeurig polymeer is. Maar het wordt heel broos onder invloed van zonlicht. In bepaalde commerciële vernissen wordt Butadyeen toegevoegd voor verhoogde flexibiliteit, en UV-beschermers om het duurzamer te maken. Het grootste verschil tussen copolymeren en vullers is dat de eerste meedoet met de chemische reactie en een binding aangaat met het hoofdmonomeer.
Dikke plaat is een platte plaat van 4-6 mm dik materiaal dat wordt gebruikt als printoppervlak. Een variëteit aan materialen zijn al eens gebruikt, maar de belangrijkste eigenschap is dat het vlak is.
Extrude. Het deponeren van materiaal op het bouwplatform. Normaliter gebeurd dit door het verwarmen van een thermoplastic en dit door een spuitmond te persen.
Extruder. Een set van onderdelen dat het voeden en extruderen van bouwmateriaal verzorgd. Het bestaat uit twee delen: een cold-end welke het thermoplastisch draad van de rol trekt en een hot end dat de thermoplast verwarmt en extrudeert.
Facet. Een driehoekig element voor het benaderen van het oppervlak van een model. Een facet wordt gedefinieerd als drie knooppunten en buiten vlakken. Je hebt duizenden driehoeken nodig om een complex model te definiëren.
Filament (draad)Twee toepassingen:
- Plastic materiaal als draad (vaak 3 mm of 1.75 mm) als een grondstof voor 3D printers.
- Geëxtrudeerd plastic (vaak < 1 mm)
G-code. De informatie welke over de aansluitkabel met de PC en de meeste ‘computer numerical control (CNC)’ machines — waaronder de meeste 3D printers — wordt verzonden is G-code. In principe zou een mens direct in G-code commando’s kunnen geven aan een 3D printer. De meeste mensen geven de voorkeur aan een van de vele CAM Toolchains die een .STL file interpreteren en als regels G-code naar de machine sturen.
Hot end. De onderdelen van een extrudeerkop dat het plastic (of andere materialen) smelt. Hot end onderdelen kunnen tot temperaturen van ongeveer 240 °C worden verwarmd (hedendaags thermoplastisch extruderen). De hot end is het deel dat gewoonlijk aan het eind van de extruder zit. Het moet daar het heetst worden.
Heated bed. Een verwarmde constructieplaat dat voorkomt dat de basis van een geëxtrudeerd onderdeel te snel afkoelt en krimpt. Het krimpen leidt tot kromtrekken door interne spanning in onderdelen. Meestal is het resultaat dat de hoekjes van een onderdeel los komen van de constructieplaat. Verwarmingsplaten leveren meestal onderdelen met een hogere bouwkwaliteit op.
Kapton Tape. Hittebestendige polyamide plaktape. Het wordt gebruikt om het verwarmingselement aan de extrudeerbuis te bevestigen. Het kan ook worden gebruikt op een heated bed.
Katalysator. Een katalysator is een substantie die een chemische reactie versnelt zonder zelf opgenomen te worden door de reactie.
Monomeer. Een molecuul dat, onder de juiste omstandigheden, aan elkaar kan binden om zo grotere moleculen te vormen, polymeren genaamd. Een monomeer moet twee of meer van zulke bindingen kunnen vormen met andere monomeren.
NEMA. Meestal bedoeld om naar een specifieke afmeting stappenmotor te refereren.
- NEMA 14 - Een kleinere stappenmotor.
- NEMA 17 - Een groter, krachtigere stappenmotor toegepast in de meeste 3D printers
- NEMA 23 - Een nog groter, erg krachtige stappenmotor.
Nichrome. Een legering van nikkel en chroom. Nichrome draad wordt gebruikt als verwarmingselement in veel extrudeerbuizen en sommige ontwerpen voor een verwarmingsplaat. Eenvoudiger en minder rommelige emailweerstanden kunnen voor hetzelfde doel worden gebruikt.
Oligomeer. Oligomeren zijn grote moleculen die bestaan uit monomeer eenheden, verbonden in een meer of mindere mate soort boomstructuur, om zo de polymerisatiezaden te leggen voor het uiteindelijke polymeer. Een vrije analogie zou zijn dat monomeren zijn tot oligomeren als wat een watermolecuul is tot een sneeuwvlok. In commerciële harsen worden oligomeren gemixt met hun monomeercomponenten om zo een polymeer met de gewenste eigenschappen te krijgen, dankzij de mogelijkheid om het polymerisatiepoces ruimtelijk te organiseren.
Parametrisch. (Adjectief) Aanpasbaar in alle dimensies. Een parametrisch model is er een die kan worden vergroot en/of verstoord om zo aan de eisen van de gebruiker te voldoen. Als het onderdeel een 1 cm gat heeft, kan je die selecteren en er een 5 mm gat van maken met slechts een paar klikken. In tegenstelling tot een STL-mesh , welke een stuk lastiger te aan te passen is. Het standaardformaat voor veel nuttige softwarepakketten kan parametrische modellen opslaan.
PEEK. (Polyether Ether Ketone). Een hoge temperatuur thermoplastic welke als thermische barrière in de extruder wordt gebruikt.
PLA. (Polylactic Acid). Een bio afbreekbaar thermoplastic polymeer bruikbaar als grondstof voor een 3D printer. Vaak wordt de afkorting PLA gebruikt. Er wordt dan PLA-filament bedoeld
PTFE. (Polytetrafluoroethylene) (Teflon). Een thermoplastic met gladde eigenschappen. Vaak gebruikt als bus in de extruder om frictie met de draad te minimaliseren.
RepRap. Een RepRap-machine is een rapid prototyping machine die een significant deel van z’n eigen onderdelen kan fabriceren. Het RepRap project is een queeste om een desktop-maat RepRap-machine te maken.
Stappenmotor. Motors die opereren met discrete rotatie intervals. Dit is het meestgebruikte type motor voor de 3D printers.
Skeinforge is een tool chain samengesteld uit Python scripts (programmeer taal) die uw 3D-model omgezet in G-code.
Slicing is het proces van het omzetten van uw 3D-model in een toolpath voor uw 3D-printer. We noemen het slicing omdat het eerste wat de slicing-engine doet is snijden van uw 3D-model in dunne horizontale lagen.
Uitharden
Het proces waarbij het model hard wordt in z’n uiteindelijke vorm.
Dat je een pistool kan drukken, weet ondertussen iedereen. De uitwassen van het Internet, zijn steeds sneller bekend dan de positieve invloeden ervan.
Het proces waarbij het model hard wordt in z’n uiteindelijke vorm.
Dat je een pistool kan drukken, weet ondertussen iedereen. De uitwassen van het Internet, zijn steeds sneller bekend dan de positieve invloeden ervan.
Viscositeit is de eigenschap van vloeistoffen die hun weerstand tegen vloeien bepaalt. Hoe hoger de viscositeit, hoe moeilijker het materiaal wil extruden of dispensen (meer energie/druk zal nodig zijn). Ook, hoe hoger de viscositeit, hoe minder het materiaal zal gaat zakken of vervormen tot het verhardt.
In de rubriek Nieuws van Kennislink van 13 februari 2013.
- Kunstorganen blijken lastig te maken maar wetenschapper van de Heriot-Watt-universiteit in Edinburgh en het bedrijf Roslin Cellab hebben een stap voorwaarts gezet. Ze ontwikkelden een techniek waarmee ze menselijke embryonale stamcellen kunnen ‘printen’ in bolletjes van verschillende grootte. Die zouden van pas kunnen komen in het opbouwen van kunstmatige weefsels. De resultaten werden vorige week gepubliceerd in het tijdschrift Biofabrication.
In de rubriek Achtergrond van Kennislink van 23 maart 2013
- Wij lijken aan de vooravond te staan van een printrevolutie binnen de medische wereld: op 18 februari hebben neurochirurgen in de Verenigde Staten voor het eerst toestemming gekregen van de Amerikaanse inspectiedienst voor de volksgezondheid (FDA) om een door middel van een 3D-printer vervaardigde schedel te implanteren. De ontvanger van het nieuwe type implantaat is een Amerikaanse patiënt wiens eigen schedel voor maar liefst driekwart was verbrijzeld.
En nog een uitsmijter! Wil je Valentijn volgend jaar zowat de origineelste zijn, kijk dan eens naar dit filmpje. Vraag je vrouw een 3D printer voor Kerstmis, en jij verrast haar met een prachtig juweel. Weet ook dat goud in poeder bestaat en een metaal is. Mogelijk is het dus zeker.
Leo.
Reacties
Een reactie posten