Metaal 3D Printen


3D printen met metaal wordt beschouwd als de crème de la crème van industrieel 3D printen. Als het gaat om sterkte en duurzaamheid, dan gaat er niets boven metaal. Het eerste patent voor 3D metaal printen was DMLS (Direct Metal Laser Sintering) en het werd in de jaren '90 ingediend door het Duitse bedrijf EOS. Sindsdien hebben ingenieurs andere methoden bedacht om met metaal te 3D printen, waarvan sommige volledig uniek zijn en andere nét anders genoeg zijn dan DMLS om hun eigen patenten te verkrijgen.

Het kan lastig zijn om al deze technologieën uit elkaar te houden, daarom geven we op deze pagina een volledig overzicht. Heeft u vragen over een technologie of wilt u graag fabriceren middels een van deze technologieën, neem dan gerust even contact met ons op.

Alle 3D metaalprinters worden in het algemeen onderverdeeld in vier categorieën (met een paar uitzonderingen die aan het eind worden behandeld). Voor de duidelijkheid gebruiken we de Engelse terminologie die wereldwijd hiervoor gebruikt wordt: Powder Bed Fusion, Binder Jetting, Direct Energy Deposition en Material Extrusion.

3D Metaal Printen met Powder Bed Fusion (PBF)

Deze categorie omvat DMLS (Direct Metal Laser Sintering ofwel directe metaal laser sintering), SLM (Selective Laser Melting ofwel selectieve lasersmelting) en EBM (Electron Beam Melting ofwel elektronenstraalsmelting) machines.

Metalen onderdelen die geproduceerd worden met behulp van PBF-smelttechnologie zijn vrij van restspanningen en interne onvolkomenheden, waardoor ze zeer geschikt zijn voor veeleisende toepassingen in de lucht- en ruimtevaartindustrie. De verschillen tussen 3D printer types binnen de PBF technologie worden over het algemeen ietwat rommelig weergegeven. Dat heeft vooral te maken met de geschiedenis van de technologie en het verschil tussen sinteren en smelten. Hier wordt het lastig: de meeste bedrijven die beweren DMLS te gebruiken, maken technisch gebruik van smelttechnologie.

Verschil tussen Metaal Sinteren en Smelten

Sinteren maakt gebruik van een combinatie van warmte en druk om deeltjes aan elkaar te laten hechten. Smelten gebruikt voldoende hoge temperaturen om de deeltjes volledig te laten smelten en samen te voegen. Gesinterde onderdelen hebben een hoge porositeit en vereisen warmtebehandelingen om versterkt te worden. Echter zal het nooit zo sterk worden als gesmede metalen onderdelen. Dit zijn gesmolten delen, bijna volledig solide die geen verdere warmtebehandelingen vereisen. In de onderstaande afbeelding ziet u het verschil tussen een gesinterd en een gesmolten deel. De deeltjes van het gesinterde model raken elkaar heel goed, maar er zitten grote gaten tussen deze deeltjes door het hele modellichaam. Dit in tegenstelling tot het gesmolten model rechts. De deeltjes in dit model zijn gesmolten en het modellichaam is daardoor een veel meer samenhangende vaste massa zonder zichtbare holten.

sinteren versus smelten

Foto Credit: http://www.additivalab.com/en/blog/laser-sintering-vs-laser-melting

Op het moment dat EOS de term DMLS bedacht, waren ze daadwerkelijk aan het sinteren en gebruikten ze daarna de warmtebehandelingen. Sindsdien zijn ze sterkere lasers gaan gebruiken die in staat zijn metaal volledig te kunnen smelten. Ze zijn wel de DMLS-term blijven gebruiken, waarschijnlijk omdat deze al populair was en gebruikers het niet leuk vinden om een ​​tientallen verschillende acroniemen te onthouden.

Een ander verschil is dat SLM met één metaal tegelijkertijd werkt en DMLS met metaallegeringen werkt. Houd er rekening mee dat we de bedrijven hebben gesorteerd op basis van de terminologie die ze zelf aanhouden.

Dus, lang verhaal kort, terwijl SLM en DMLS technisch verschillend zijn en de industrie beide termen worden gebruikt, gebruiken de meeste 3D metaalprinter fabrikanten tegenwoordig een vorm van smelten in plaats van sinteren.

De EBM 3D print technologie gebruikt een krachtige elektronenstraal in plaats van een laser om het metaalpoeder te smelten; elektronenstralen produceren meer energie en hogere temperaturen dan lasers, zodat ze superlegeringen op hoge temperaturen aankunnen. Echter zijn ze ook beperkt tot het bewerken van superlegeringen door deze eigenschappen.

Verschillende industrieën vertrouwen op onderdelen die zijn gemaakt met Powder Bed Fusion 3D metaal printers. Medische professionals en chirurgen gebruiken deze 3D-geprinte metalen voor bio-compatibele implantaten, ruimtevaartingenieurs gebruiken ze om het gewicht van vliegtuigen te verminderen en industriële fabrikanten gebruiken ze voor op maat gemaakte gereedschapsuitrusting.

Metaal PBF Voordelen:

  • Bijna elke geometrie kan met hoge precisie worden vervaardigd.
  • Breed scala aan metalen, inclusief de lichtste titanium legeringen en de sterkste nikkel-superlegeringen die moeilijk te verwerken zijn met traditionele productietechnologieën.
  • Mechanische eigenschappen zijn zo goed als (en soms beter dan) gesmede metalen.
  • Kan op dezelfde manieren worden bewerkt, gecoat en behandeld als traditioneel vervaardigde metalen onderdelen.

Metaal PBF Nadelen:

  • Hoge kosten van materialen, machines en bediening.
  • Onderdelen moeten aan de 3D print bouwplaat worden bevestigd met ondersteunende structuren (om kromtrekken te voorkomen). Dit geeft restmateriaal waarvoor manuele nabewerking nodig is om de objecten te verwijderen.
  • Beperkte bouwgroottes (hoewel deze steeds groter worden).
  • Het hanteren van metaalpoeders kan gevaarlijk zijn en vereist strikte procescontroles.

3D Metaal Printen met Binder Jetting

Binder Jetting (of Bindstralen) technologie, kan net als lasersinteren meer materialen verwerken dan alleen metalen. Met de Binder Jetting technologie kunnen bijvoorbeeld ook objecten van zand, keramiek en full-colour polymeer worden gerealiseerd. Omdat metalen bindmiddelen op kamertemperatuur werken, treedt kromtrekken niet op en zijn steunstructuren ook niet nodig. Als zodanig kunnen Binder Jetting machines veel groter zijn dan Powder Bed Fusion machines en kunnen objecten worden gestapeld in de bouwkamer, zodat de gehele bouwkamer benuttigt kan worden. Deze technologie is een populaire keuze voor productieruns van kleine series en voor on-demand vervangende onderdelen.

Metaal Binder Jetting Voordelen:

  • Groot bouwvolume.
  • Onderdelen hoeven niet aan een bouwplaat te worden bevestigd. Daardoor kunnen ze worden gestapeld om zo het gehele beschikbare bouwvolume te gebruiken.
  • Minder beperkingen op de geometrie omdat ondersteuningen over het algemeen niet nodig zijn.
  • Grotere onderdelen zijn mogelijk omdat er geen kromtrekken optreedt.
  • Zeer snelle vorm van 3D printen.
  • Lagere kosten dan Powder Bed Fusion metaal printen.

Metaal Binder Jetting Nadelen:

  • Onderdelen moeten na het 3D printen een tijdrovend ontbindings- en ovensinteringprocess ondergaan.
  • Hoge kosten van machines en materialen.
  • Hogere porositeit dan Powder Bed Fusion, dus mechanische eigenschappen zijn niet zo goed.
  • Weinig materiaalkeuze.

3D Metaal Printen met Direct Energy Deposition (DED)

DED 3D print systemen staan ook wel bekend als LENS (Laser Engineering Net Shaping) en DMD (Direct Metal Deposition). Deze systemen kunnen werken met metaaldraad of metaalpoeder. Smelten van het metaal wordt bereikt met een plasmaboog, laser of elektronenstraal. Het lijkt in deze zin erg op lassen, dus een van de belangrijkste toepassingen van deze technologie is het repareren en toevoegen van functies aan bestaande metalen onderdelen.

DED Voordelen:

  • Metaaldraad is de meest betaalbare vorm van metalen 3D printmateriaal.
  • Sommige machines kunnen werken met twee verschillende metaalpoeders om legeringen en materiaal gradiënten te maken.
  • 5- en 6-assige beweging van de printkop maakt de productie van overhangende delen mogelijk zonder het gebruik van ondersteunende structuren.  
  • Het is mogelijk om kapotte metalen onderdelen te repareren en nieuwe componenten aan objecten toe te voegen.
  • Groot bouwvolume.
  • Efficiënt materiaalgebruik.
  • Onderdelen hebben een hoge dichtheid en goede mechanische eigenschappen.
  • Snel printen.

DED Nadelen:

  • Geprinte onderdelen hebben een slechte oppervlaktekwaliteit, dus bewerking en afwerking zijn meestal noodzakelijk.
  • Kleine details zijn zeer moeilijk of vrijwel onmogelijk te bereiken.
  • Hoge kosten van machines en bediening.

3D Printen met Metaal Materiaal Extrusie

Deze 3D print technologie is speciaal ontwikkelt om metaal 3D printen goedkoper en toegankelijker te maken. Ontwerpstudio's, machinewerkplaatsen en kleine fabrikanten gebruiken metaal extrusiemachines om ontwerpen te herhalen, mallen en armaturen te maken en kleine productieruns te voltooien. De nieuwste ontwikkeling in deze ruimte zijn metalen filamenten die werken in de meeste desktop FDM 3D-printers, hierdoor wordt 3D-printen met metaal voor bijna iedereen toegankelijk! Dit is hoe materiaal extrusie met metaal werkt:

  1. Polymeer filament of staven geïmpregneerd met kleine metalen deeltjes worden laag voor laag 3D-geprint in de vorm van het ontwerp.
  2. Het 3D-geprinte deel wordt vervolgens gewassen om een ​​deel van het bindmiddel te verwijderen.
  3. Het onderdeel wordt vervolgens in een oven sintering proces geplaatst die de metaaldeeltjes samensmelt tot een vast metaal.

Na het uitvoeren van deze stappen is het uiteindelijke onderdeel klaar voor gebruik. Het kan worden verwerkt en nabehandeld als elk ander metalen onderdeel. De onderstaande afbeelding toont een replica van de horlogekast van Vortic Watch Co. geprint in 17-4PH roestvrij staal op Desktop Metal Studio (links) en MarkForged Metal X (rechts) materiaal-extrusiesystemen.

markforged metal x versus desktop metal

Foto Credit: https://www.additivemanufacturing.media/blog/post/material-extrusion-now-with-metal

Metal Extrusie Voordelen:

  • Meest betaalbare methode voor het 3D printen van metalen
  • Functionele prototypes zijn mogelijk
  • Eenvoudig en veilig te bedienen

Metaal Extrusie Nadelen:

  • Onderdelen moeten een ontbindings- en sinterproces ondergaan.
  • Meer beperkingen op geometrie en meer gebruik van steunstructuren zijn nodig om kromtrekken te voorkomen.
  • Onderdelen hebben een hoge porositeit en bereiken niet de mechanische eigenschappen van gesmede metalen. 
  • Onderdelen zijn niet zo dicht als je zou bereiken met PBF of DED.
  • Minder nauwkeurig door krimp in de oven

Andere soorten metaal 3D printen

Joule Printing

Joule Printing van het bedrijf Digital Alloys lijkt veel op DED, maar de metaaldraad wordt gesmolten door er stroom doorheen te laten lopen. Zo wordt het contactpunt van de draad op de onderliggende laag verhit en op deze manier versmelt met de onderliggende laag. Dit maakt een veel sneller print proces mogelijk. De fabrikant Digital Alloys heeft aangetoond dat het tot 2 kg titanium per uur kan 3D printen.

Liquid Metal Additive Manufacturing

Vader Systems creëerde een systeem waarbij druppels van 1200°C vloeibaar metaal worden afgezet op dezelfde manier als een inkjetprinter.

Electrochemical Deposition

Het bedrijf Exaddon heeft een metaal 3D printer die op nanoschaal kan printen genaamd CERES. Dit systeem kan metalen objecten maken die kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar met behulp van electrochemical deposition. 

DLP metaal 3D Printen

Er zijn ook machines die metalen printen met behulp van DLP-printtechnologieën (Digital Light Processing). Net als bij extrusie van metaal materiaal wordt metaalpoeder gemengd met de fotopolymeerhars. 3D geprinte onderdelen moeten hetzelfde ontbindings- en sinterproces ondergaan als de extrusiemethode voor metaalmateriaal.

Cold Spray Metaal 3D Printen

Cold Spray metaal 3D printen werd oorspronkelijk gebruikt door NASA om metalen objecten in de ruimte te kunnen bouwen. Belangrijkste kenmerk is dat het de snelste methode voor metaal 3D printen ter wereld is (denk aan 6kg aluminium of koper per uur!), het nadeel is dat het niet zo nauwkeurig is. De Australische bedrijven Titomic en SPEE3D lopen voorop in deze technologie.

Ultrasone Consolidatie (UAM)

Ultrasone Consolidatie of Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) 3D printers verbinden dunne lagen metaalfolie met behulp van geluid, waarbij het overtollige materiaal bij elke laag wordt weggewerkt voordat de volgende laag folie wordt gebonden. Dit is dus een combinatie van additieve en subtractieve productie. De SonicLayer 3D-printers van Fabrisonic maken gebruik van deze technologie.

LENS

LENS is een methode gebaseerd op het gebruik van lasers die een uiterst gecontroleerde productieomgeving vereist. Het proces vereist een hermetisch afgesloten kamer, meestal gezuiverd van zuurstof met behulp van Argon. Dit houdt oxidatie niveaus zo laag mogelijk. LENS-lasers kunnen variëren van 500W tot 4kW. Dit proces wordt gebruikt om titanium, roestvrij staal en Inconel te verwerken. Ondanks de moeilijkheden bij het handhaven van de zuurstofvrije printkamer, biedt LENS gebruikers een mate van nauwkeurigheid en controle die maar weinig additieve productiemethoden kunnen bieden.

Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3)

EBF3 is een methode die voornamelijk wordt gebruikt in de ruimtevaartindustrie, oorspronkelijk ontwikkeld door NASA zo'n tien jaar geleden. Deze methode kan verrassend complexe geometrische vormen maken zonder enige materiaalverspilling. Deze methode heeft de mogelijkheid om lichtgewicht-objecten te creëren met o.a. het doel om brandstofverbruik te verminderen.

Laser Metal Deposition (LMD)

LMD is in veel opzichten vergelijkbaar met smelttechnologieën. Deze technologie gebruikt metaal poeders en smelt deze poeders tot structuren met behulp van lasers. Het kernverschil verschijnt bij nadere inspectie. Deze methode maakt bijvoorbeeld gebruik van een constante poederstroom die gesmolten wordt. Het gebruikt twin poederstromen en gasstromen in de procedure. LMD 3D printen is nuttig voor versterking, reparatie, regeneratie of directe productie.

Metaal 3D printen heeft de afgelopen jaren een lange weg afgelegd en wordt steeds groter (en kleiner), sneller, preciezer, goedkoper en gebruiksvriendelijker. Benieuwd hoe 3D printen uw bedrijf ten goede kan komen? Zoek niet verder dan ons eigen 3D print adviesbureau of onze 3D printservice.


Contact