De toekomst van FDM-3D-printen: wat brengt de toekomst voor additive manufacturing?

FDM-3D-printen is wereldwijd de meest voorkomende vorm van 3D-printen. Het is niet langer alleen voor hobbyisten. Tegenwoordig gebruiken bedrijven deze techniek om testmodellen, fabrieksgereedschap en afgewerkte onderdelen voor auto’s, vliegtuigen en medische apparatuur te vervaardigen.

Het principe achter een FDM-print is eenvoudig. Een printer smelt een plastic draad en bouwt het onderdeel laag voor laag op, net als een zeer nauwkeurig heetlijmpistool. Dankzij een golf van innovaties op het gebied van 3D-printen zijn FDM-printers de afgelopen jaren sneller en nauwkeuriger geworden en kunnen ze nu met veel sterkere kunststoffen werken.

In deze gids leggen we uit wat FDM bij 3D-printen is, hoe het werkt, wat de belangrijkste voordelen zijn, wat de nieuwste verbeteringen zijn en wanneer een FDM-3D-printservice de juiste keuze is voor uw onderdelen.

Wat is FDM bij 3D-printen?

FDM staat voor ‘fused deposition modeling’. Simpel gezegd: de printer smelt kunststof en brengt dit laag voor laag aan, de ene bovenop de andere, totdat het onderdeel klaar is.

Wat 3D-printen met FDM onderscheidt van andere methoden, is het materiaal waarmee het begint. Sommige printers gebruiken vloeibare hars, zoals bij stereolithografie, en andere gebruiken fijn poeder, zoals bij selectief lasersinteren en HP Multi Jet Fusion. Bij FDM wordt gebruikgemaakt van spoelen met vaste plastic draad. Daardoor blijft het betaalbaar, schoon en eenvoudig, en kunnen veel van dezelfde kunststoffen worden gebruikt die ook in alledaagse producten voorkomen.

Hoe een FDM-3D-print werkt, stap voor stap

Elke FDM-3D-print verloopt volgens dezelfde basisstappen, of deze nu wordt gemaakt op een kleine desktopprinter of op een grote industriële machine.

1. Ontwerp het product: Het object wordt met behulp van een computer als een driedimensionaal beeld getekend. Door zich te houden aan een ontwerphandleiding voor 3D-printen kun je problemen in deze fase voorkomen.

2. Bereid het bestand voor: De software verdeelt het driedimensionale beeld in vele lagen en geeft de printer aan waar hij naartoe moet bewegen. Daarnaast worden zowel de dikte van de lagen als de interne dichtheid van het onderdeel gespecificeerd.

3. Verwarm het plastic: De printer voert plastic draad in een kleine verwarmde spuitmond, die het smelt.

4. Bouw laag voor laag op: Het verwarmde mondstuk brengt de eerste laag kunststof aan op een vlak oppervlak. Vervolgens gaat het mondstuk iets omhoog en brengt het nog een laag kunststof aan. Dit proces gaat door totdat het object is opgebouwd.

5. Plaats tijdelijke steunen: Onderdelen met overhangende delen moeten tijdens het printen tijdelijk van onderaf worden ondersteund. Sommige steunelementen kunnen achteraf gewoon worden weggewassen.

6. Werk het onderdeel af: Het onderdeel wordt verwijderd, de steunpunten worden schoongemaakt en het kan indien nodig worden geschuurd, gladgemaakt of geverfd.

Omdat alles begint met een digitaal bestand, kan dezelfde FDM-print op elk moment worden herhaald of aangepast, zonder extra instelkosten. Daarom is FDM de voor de hand liggende keuze voor rapid prototyping.

Voordelen van de FDM-technologie (Fused Deposition Modeling)

Fused Deposition Modeling is niet voor niets populair. Hieronder lees je waarom FDM-3D-printen voor zoveel projecten een slimme keuze is.

• Acetaal (Delrin):Acetaal is stijf, heeft een lage wrijving en behoudt zijn vorm goed. Het wordt gebruikt voor tandwielen, bussen en precisieonderdelen.

• Lage kosten: Aangezien bij FDM gebruik wordt gemaakt van betaalbaar kunststofmateriaal en er geen mallen of speciaal gereedschap nodig zijn, kan men zelfs slechts één onderdeel produceren zonder veel geld uit te geven.

• Snelle doorlooptijd: Het duurt één of twee dagen om onderdelen op basis van een digitaal bestand te vervaardigen tot fysieke onderdelen.

• Eenvoudige ontwerpwijzigingen: Moet een onderdeel worden aangepast? Werk dan gewoon het ontwerpbestand bij en print het opnieuw. Er hoeven geen nieuwe matrijzen te worden gemaakt.

• Stevige, bruikbare onderdelen: Door het juiste kunststofte gebruiken , zijn de met FDM geproduceerde onderdelen geschikt voor praktisch gebruik en niet alleen als prototype.

• Grote onderdelen uit één stuk: Industriële FDM-printers kunnen grote onderdelen vervaardigen die anders uit meerdere delen zouden moeten worden samengesteld.

• Vrijheid in vorm: Holle, gebogen of lichtgewicht ontwerpen die moeilijk te bewerken of te gieten zijn, kunnen eenvoudig worden geprint.

• Minder afval: De printer gebruikt alleen de hoeveelheid kunststof die het onderdeel nodig heeft, in tegenstelling tot het uitsnijden van een onderdeel uit een massief blok.

• Op bestelling gemaakt:druk één exemplaar of een kleine oplage af, precies wanneer u het nodig hebt, zonder minimumafname of opslagkosten.

Dankzij deze voordelen is FDM bijzonder geschikt voor prototypes, op maat gemaakte gereedschappen voor de productievloer, vervangingsonderdelen en kleine productieseries.

Ontwikkelingen op het gebied van FDM-materialen

De grootste innovatie op het gebied van 3D-printen met FDM-technologie betreft de materialen. Vroegere printers konden slechts een paar basiskunststoffen verwerken. De huidige FDM-3D-printdiensten bieden een scala aan materialen dat sterk lijkt op wat in traditionele fabrieken wordt gebruikt.

Hittebestendige kunststoffen

Sommige nieuwere kunststoffen, zoals PEEK en ULTEM, zijn bestand tegen hoge temperaturen en agressieve chemicaliën. In vliegtuigen en medische apparatuur vervangen deze kunststoffen tegenwoordig bepaalde metalen onderdelen om gewicht te besparen. Hiervoor zijn speciale printers nodig die bestand zijn tegen hoge temperaturen, dus bestellen de meeste bedrijven deze onderdelen bij een gespecialiseerde dienstverlener.

Kunststoffen vermengd met koolstofvezel

Door minuscule stukjes koolstofvezel of glasvezel door kunststof te mengen, worden onderdelen stijver, lichter en stabieler. Sommige industriële printers brengen zelfs lange strengen koolstofvezel in elke laag aan, waardoor onderdelen ontstaan die sterk genoeg zijn om in bepaalde toepassingen aluminium te vervangen.

Flexibele materialen en meerdere materialen tegelijk

Rubberachtige materialen worden gebruikt voor afdichtingen, handgrepen en stootranden. Nieuwere printers kunnen bovendien hard plastic, flexibel materiaal, afwasbare steunmaterialen en verschillende kleuren in één afdruk combineren, waardoor één onderdeel zowel stijf als zacht kan zijn zonder dat er lijm aan te pas komt.

Met metaal gevulde kunststoffen

Sommige kunststofdraden bevatten metaalpoeder. Na het printen wordt het onderdeel in een oven verhit, waardoor de kunststof verbrandt en er massief metaal overblijft. Het is geen vervanging voor 3D-printen met metaal, maar wel een goedkope manier om eenvoudige metalen testonderdelen te maken.

Verbeteringen in de printsnelheid en efficiëntie van FDM-printen

Snelheid was vroeger het grootste zwakke punt van FDM. Dat is nu niet meer het geval. De huidige printers werken tot wel tien keer sneller dan die van vijf jaar geleden, en de nieuwste machines gaan zelfs nog sneller.

Dit werd mogelijk gemaakt door een aantal verbeteringen:

• Lichtere, slimmere bewegende onderdelen. Printers zijn zo ontworpen dat de bewegende onderdelen lichter zijn, waardoor ze snel kunnen bewegen zonder te trillen.

• Ingebouwde trillingscompensatie. De printer controleert of hij bij hoge snelheid trilt en corrigeert dit automatisch, zodat ook bij hoge printsnelheden de afdrukken er nog steeds netjes uitzien.

• Sneller smelten. De verbeterde verwarmingselementen smelten het plastic snel genoeg om de snelheid bij te houden.

• Kunststoffen die zijn ontworpen voor hoge snelheden. Materiaalproducenten hebben kunststoffen ontwikkeld die bij hoge snelheden goed smelten en afkoelen, terwijl ze toch een sterke hechting behouden.

Ook de efficiëntie is verbeterd. Grote printers kunnen nu kleine plastic korrels gebruiken in plaats van draad, wat de materiaalkosten verlaagt. Dankzij automatische instellingen, waarschuwingen wanneer het materiaal bijna op is en camera’s die mislukte afdrukken detecteren, kunnen printers ’s nachts veilig blijven draaien. Voor jou betekent dat een snellere levering en lagere prijzen voor elke FDM-afdruk.

Hoe nauwkeurig en stevig zijn FDM-prints?

Hoe nauwkeurig een FDM-3D-print is, hangt af van hoe dun de lagen zijn, hoe goed de printer is afgesteld en welk kunststof er wordt gebruikt. Dunnere lagen zorgen voor fijnere details, terwijl dikkere lagen sneller worden geprint en sterker zijn. Professionele FDM-printers zijn zo ontworpen dat onderdelen zeer dicht bij de beoogde afmetingen blijven, doorgaans binnen een fractie van een millimeter.

Betere printers

Veel professionele 3D-printers zijn tegenwoordig voorzien van een gesloten, verwarmde behuizing rondom het onderdeel. Hierdoor blijft de temperatuur stabiel, zodat onderdelen tijdens het afkoelen niet kromtrekken of barsten. Stevigere frames en nauwkeurigere motoren zorgen er bovendien voor dat elke laag precies op de juiste plek terechtkomt.

Slimme software

Moderne software past de snelheid en koeling automatisch aan voor elk detail van het onderdeel. Sommige printers maken gebruik van ingebouwde camera’s om de eerste laag te controleren en je direct te waarschuwen als er problemen optreden.

Ontwerpen met het oog op stevigheid

FDM-onderdelen zijn het sterkst langs de lagen en het zwakst tussen de lagen in, een beetje zoals de nerf in hout. De beste resultaten krijg je door het onderdeel zo te plaatsen dat de belangrijkste kracht langs de lagen loopt, door dikkere buitenwanden te gebruiken en door scherpe hoeken af te ronden. In onze ontwerphandleiding voor 3D-printen worden deze tips uitgebreid uitgelegd.

Als een onderdeel in alle richtingen even sterk moet zijn of een zeer glad oppervlak moet hebben, is een poedergebaseerde methode zoals HP Multi Jet Fusion of een afwerkingsstap zoals dampgladmaken wellicht een betere keuze.

Waar FDM-3D-printen tegenwoordig wordt toegepast

3D-printen met FDM heeft de overstap gemaakt van het ontwerpbureau naar de fabrieksvloer. Dit zijn de sectoren waar het de meeste voordelen biedt.

Fabrieksgereedschap is het stille succesverhaal van FDM. Een op maat gemaakte houder die vroeger weken kostte om uit aluminium te frezen, kan nu in één nacht worden geprint in stevig kunststof, tegen een fractie van het gewicht en de kosten. Veel fabrikanten slaan reserveonderdelen nu op als digitale bestanden en printen ze pas wanneer dat nodig is, in plaats van hun schappen vol te houden met voorraad.

Duurzaamheid bij FDM-3D-printen

Bij FDM worden onderdelen vervaardigd door materiaal toe te voegen, waardoor alleen de hoeveelheid kunststof wordt gebruikt die het onderdeel nodig heeft. In vergelijking met het uitsnijden van een onderdeel uit een massief blok leidt dit tot veel minder afval, vooral bij complexe of lichtgewicht vormen.

De sector gaat nog een stap verder. Gerecyclede en plantaardige kunststoffen komen steeds vaker voor, en printerfabrikanten zetten recyclingsystemen op waarmee mislukte afdrukken en restanten van kunststof weer worden omgezet in nieuw printmateriaal.

Ook ‘printing on demand’ helpt daarbij. Door onderdelen dicht bij de plaats waar ze nodig zijn te produceren, en alleen zoveel als nodig is, worden overproductie, opslag en verzending beperkt. Voor kleine hoeveelheden is FDM vaak de milieuvriendelijkere keuze dan het maken van een dure matrijs.

Beperkingen en de toekomst van FDM-3D-printen

FDM is niet voor elk onderdeel de juiste keuze. Als je de beperkingen ervan kent, kun je de beste methode kiezen.

• Zichtbare laaglijnen:Oppervlakken moeten mogelijk worden geschuurd, geverfd of gladgemaakt om een gepolijste uitstraling te krijgen.
• Zwakker tussen de lagen:Onderdelen moeten zorgvuldig worden geplaatst, zodat ze op de juiste plaatsen voldoende stevigheid bieden.
• Zeer fijne details:Kleine onderdelen kunnen beter met harsprinten worden vervaardigd.
• Grote hoeveelheden: Zelfs met snellere printers kost 3D-printen meestal meer per onderdeel dan spuitgieten zodra je er ongeveer 10.000 of meer nodig hebt. Vanaf dat moment is spuitgieten doorgaans de betere keuze.

De volgende golf van innovaties op het gebied van 3D-printen met FDM richt zich juist op deze tekortkomingen. Verwacht printers die zelfstandig problemen opsporen en verhelpen, sterkere onderdelen met vezelversterking die metaal kunnen vervangen, en grotere printers voor omvangrijke objecten zoals mallen en bootonderdelen. Naarmate er meer materialen worden getest en goedgekeurd, zullen FDM-onderdelen op grotere schaal worden toegepast in vliegtuigen en medische producten.

Voor een breder overzicht van de toekomst van 3D-printen kun je ons artikel lezen over de nieuwste doorbraken op het gebied van 3D-printtechnologie.

Een FDM-3D-printservice kiezen

Een professionele FDM-3D-printservice is een goede keuze als je sterke materialen, nauwkeurige onderdelen, grote onderdelen of een constante kwaliteit binnen een hele batch nodig hebt, zonder dat je zelf dure printers hoeft aan te schaffen en te gebruiken. Let bij het vergelijken van aanbieders op het volgende:

• Materiaalkeuze: Drukken ze alleen de standaardkunststoffen af, of ook de sterkste of meest hittebestendige kunststoffen die voor uw onderdeel nodig zijn?
• Afmetingen: Kunnen ze grote onderdelen uit één stuk printen? Onderdelen uit één stuk zijn sterker dan gelijmde delen.
• Kwaliteitscontrole: Let op kwaliteitscertificaten (ISO 9001) en onderdelen die vóór levering worden gecontroleerd.
• Professioneel advies: Een goede dienstverlener bekijkt uw ontwerp vóór het drukken en doet suggesties voor verbetering.
• Andere opties: Als FDM niet de meest geschikte methode is, kunnen ze uw onderdeel dan op een andere manier vervaardigen, bijvoorbeeld via poederprinten, machinale bewerking of gieten?

Norck biedt FDM-3D-printdiensten aan vanuit de VS en Duitsland, als onderdeel van een compleet aanbod aan 3D-print- en productiediensten, ondersteund door een ISO 9001:2015 -kwaliteitssysteem. Onze ingenieurs beoordelen elk ontwerp en adviseren over de beste methode en het beste materiaal, of dat nu FDM is, een andere vorm van 3D-printen of CNC-bewerking.

Klaar om aan je volgende FDM-project te beginnen? Vraag een offerte aan of neem contact op met een ingenieur.

Conclusie

FDM-3D-printen is uitgegroeid van een eenvoudig hulpmiddel voor het maken van modellen tot een betrouwbare manier om echte, bruikbare onderdelen te vervaardigen. Snellere printers, sterkere materialen, slimmere software en milieuvriendelijkere kunststoffen hebben de mogelijkheden van fused deposition modeling aanzienlijk uitgebreid. Voor testmodellen, fabrieksgereedschappen en kleine productieseries is het nu een van de snelste en meest betaalbare manieren om een ontwerp om te zetten in een afgewerkt onderdeel.

Het komt erop aan voor elk onderdeel de juiste methode te kiezen. Als u niet zeker weet of FDM geschikt is voor uw volgende ontwerp, kunnen de ingenieurs van Norck dit beoordelen en u de beste optie aanbevelen. Vraag vandaag nog een offerte aan.