Additive Manufacturing met Filament - Introductie

Deze blogpost is niet bedoeld als een allesomvattende verzameling kennis voor Additive Manufacturing met filament, maar eerder als een beknopt overzicht van de belangrijkste kenmerken en functionaliteit van deze technologie.

3D-printen met filament is niet het oudste, maar wel het bekendste Additive Manufacturing-proces. Als u in een zoekmachine het trefwoord "3D-printen" invoert vindt u voornamelijk resultaten op 3D-filamentprinters, of het nu gaat om informatie, afbeeldingen of winkeladvertenties.

Dit komt mede doordat vrijwel het gehele hobby segment in 3D-printen bestaat uit filament 3D-printers. Tegenwoordig zijn er ook enkele resin 3D-printers voor de hobbyistenmarkt, maar er is geen gedachte dat filament Additive Manufacturing in dit segment zal worden verdrongen.

Het zou echter ongetwijfeld ongepast zijn om 3D-filamentprinten exclusief toe te schrijven aan het hobbysegment. De populariteit van deze technologie is niet alleen omdat het vrijwel alleen het hobbysegment vult. Additive Manufacturing met filamenten biedt ook unieke voordelen en veel verschillende toepassingsgebieden in het professionele en industriële segment.

Hoe 3D-printen met filament werkt

Wat is een filament bij 3D-printen? Een filament is een draadachtige thermoplast die kan vervormen binnen een bepaald temperatuurbereik. De temperatuur varieert afhankelijk van het type thermoplast. Bij verhitting smelt het filament en bij afkoeling stolt het weer. Deze vervorming is omkeerbaar in thermoplasten. Het filament kan dit proces dus meerdere keren ondergaan zolang het niet oververhit raakt.

Deze vervorming van het filament speelt een essentiële rol bij het 3D-printen met filamenten. Het filament wordt in de bouwkamer van de betreffende printer gevoerd, waar het wordt verwarmd tot de smelttemperatuur en vervolgens laag voor laag op de bouwplaat wordt geëxtrudeerd door een of meerdere metalen nozzles.

Om te voorkomen dat de componenten verschuiven op de bouwplaat en om maximale stabiliteit te garanderen moet de bouwplaat of de gehele bouwruimte worden verwarmd. Een gelijkmatige temperatuurverdeling op de bouwplaat of in de bouwruimte is van grootste belang om kromtrekken te voorkomen!

Dit proces wordt Fused Deposition Modeling (FDM) of Fused Filament Fabrication (FFF) genoemd. Beide termen verwijzen naar hetzelfde proces, maar Fused Deposition Modeling en het bijbehorende acroniem zijn beschermde handelsmerken van het Amerikaans-Israëlische bedrijf Stratasys®.

Wie maakt filament 3D-printers

Uiteraard is Stratasys® niet de enige fabrikant van filament 3D-printers. De markt voor filament 3D-printers heeft vrijwel zeker de grootste keuze aan fabrikanten binnen Additive Manufacturing. Voor deze blogpost beperk ik me echter tot de grote fabrikanten van professionele en industriële 3D-filamentprinters.

Stratasys®

Aangezien de bedrijfsnaam nu meerdere keren is genoemd zou ook het Amerikaans-Israëlische bedrijf Stratasys® deze lijst van fabrikanten van 3D-filamentprinters moeten starten.

Het in 1989 opgerichte bedrijf heeft zowel PolyJet-, SLA- als FDM-machines in het assortiment. Onder de 3D-printers van Filament vallen bijvoorbeeld de professionele F123-serie en de industriële Fortus 450mc.

Raise3D

Raise3D is opgericht in 2015 en momenteel gevestigd in de Verenigde Staten. Zij hebben een groot portfolio aan professionele filament 3D-printers.

Dit portfolio omvat de professionele Pro2- en Pro3-serie en de professionele E2 en E2CF.

Markforged®

Markforged® zit gevestigd in de Verenigde Staten en werd opgericht in 2013 en zij waren de eerste producent van 3D-printers die continue carbon fiber konden printen.

Daarnaast staat Markforged® bekend om zijn brede scala aan verschillende filament 3D-printers. Waaronder de professionele Mark Two™ en de industriële X7™ en FX20™ 3D-printers.

Ultimaker

Ultimaker is opgericht in 2011 in Nederland, en in augustus 2022 gefuseerd met het in de VS gevestigde MakerBot®. Ultimaker heeft al een aanzienlijk portfolio van 3D-filamentprinters, ondanks dat het nog niet zo lang geleden is opgericht.

Deze omvatten de professionele S-serie en de professionele Method-serie, oorspronkelijk ontwikkeld door MakerBot®.

INTAMSYS

INTAMSYS, een afkorting van INTelligent Additive Manufacturing SYStems, werd in 2016 opgericht in Shanghai en heeft nu twee extra locaties. Duitsland en de Verenigde Staten. Hiermee ondersteunen zij de wereldwijde verkoop van hun filament 3D-printers.

Tot deze 3D-printers behoren onder andere de professionele FUNMAT HT en de industriële FUNMAT PRO 610HT.

Roboze

Roboze is opgericht in Italië in 2015. Zij hebben als missie om de verwerking van polymeren naar een nieuw niveau te tillen. Het bedrijf bereikt dit met verschillende professionele en industriële filament 3D-printsystemen.

Het professionele apparatuur omvat de Pro-serie, en de industriële apparatuur omvat de ARGO-serie.

Welke voordelen biedt filament 3D-printen

Een groot voordeel van deze categorie van Additive Manufacturing is ook de reden waarom het zo populair is in het hobbysegment. Dit komt mede door de lage aanschafkosten. Voor hobbygebruik vind je soms fatsoenlijke filament 3D-printers voor iets meer dan €100 euro. En zelfs professionele 3D-printers zijn al te vinden voor slechts €5.000 euro, wat onverslaanbaar ''goedkoop'' is in vergelijking met andere categorieën van 3D-printen.

Ook de materiaalkosten houden qua prijs gemiddeld gezien zeer goed stand in vergelijking met materiaalkosten van andere technologieen. Bijvoorbeeld 1 kg resin kost vaak meer dan €50 euro, en vaak genoeg zelfs meer dan €100 euro. Daarintegen zijn filamenten meestal voor minder dan €50 euro per kg verkrijgbaar. Dit omvat echter niet hoogwaardige filamenten zoals bijvoorbeeld PEEK.

Daarnaast is er een onbeschrijfelijk aantal aan soorten filament. Van ABS tot PET en van PEEK tot TPU. Deze grote keuze aan materialen maakt componenten met een grote verscheidenheid aan eigenschappen mogelijk. Of het nu gaat om chemische weerstand, hittebestendigheid, elasticiteit, ESD-vermogen, breukvastheid et cetera, er zijn filamenten die deze eigenschappen hebben.

Een ander voordeel dat het vele gebruik van filament 3D-printers verklaart is het gebruiksgemak. Op enkele uitzonderingen na, zoals ABS, is er geen sprake van giftige materialen, geen verplichte nabewerking buiten het verwijderen van support-materiaal, en het gemakkelijke materiaalverwerking maken Additive Manufacturing met filament het meest gebruiksvriendelijke proces binnen 3D-printen.

Last but not least moet ook de hoge snelheid van filament 3D-printers worden benadrukt. Zelfs professionele printsystemen kunnen nu bogen op snelheden tot 350 mm/s producereen. Of het nu in de professionele of industriële sector is. Hoewel vermeld moet worden dat hogere snelheden altijd een impact kan hebben op de oppervlaktekwaliteit.

Wat zijn de nadelen van filament 3D-printen

Net als elke andere productiemethode heeft filament 3D-printen ook enkele nadelen. De mate waarin deze een rol speelt is heel individueel. Maar het is toch essentieel om ze te kennen om na de aankoop niet verblind te raken.

Waarschijnlijk het grootste nadeel van deze productiemethode is de lagere oppervlaktekwaliteit in vergelijking met andere 3D-printtechnologieën. In de overgrote meerderheid van de gevallen is de oppervlaktekwaliteit nogal ruw, wat kan worden verbeterd met wat schuurpapier, maar dit kost aanzienlijk meer tijd.

Het detailniveau blijft ook achter bij andere technologieën in Additive Manufacturing met filamenten. Helaas kan dit nadeel niet worden verholpen door nabewerking. Daarom is filament 3D-printen simpelweg niet geschikt voor componenten die een zeer hoge detailnauwkeurigheid vereisen.

Ondanks het gebruiksgemak van de filament 3D-printers is er altijd één probleem: verstopte nozzles. Het schoonmaken ervan is niet bijzonder ingewikkeld, maar leidt elke keer tot een volledige productiestop. Afhankelijk van de frequentie kan dit naast zenuwen ook aardig wat geld kosten.

Het laatste nadeel dat ik wil noemen is de nogal beperkte ontwerpvrijheid. Waar bij andere Additive Manufacturing methodes, met name metaal 3D printen, de ontwerpvrijheid vrijwel geen grenzen kent, moet je bij filament 3D printen leven met een grote beperking. De wanddikte moet altijd boven de één millimeter zijn om een stabiel eindproduct te verkrijgen. Dit maakt componenten die een wanddikte vereisen onder dit minimum onmogelijk met filament 3D-printen.

Wat zijn de toepassingen van filament 3D-printen

3D-printen met filamenten is nu aanwezig in veel industrieën, waar het een breed scala aan taken op zich neemt, van prototypes tot seriecomponenten.

Een van de belangrijkste toepassingen van Additive Manufacturing met filamenten is in de lucht- en ruimtevaartsector. Met de mogelijkheid om lichtgewicht en goedkope componenten te produceren met behulp van door de industrie gecertificeerde materialen zoals ULTEM of PEEK slaagt filament 3D-printen erin om de kosten voor zowel constructie als gebruik te verlagen. Dankzij een lager brandstofverbruik door lichtere componenten binnen de luchtvaartindustrie.

Dankzij ESD-filamenten profiteert nu ook de elektronica-industrie van 3D-printen met filamenten. Deze maken kostenefficiënte productie van componenten, sneller maatwerk en naleving van ESD-normen mogelijk.

Dankzij ESD-filamenten profiteert nu ook de elektronica-industrie van het 3D-printen met filamenten. Deze maken kostenefficiënte productie van componenten, sneller maatwerk en naleving van ESD-normen mogelijk.

Maar niet alleen de industrie komt steeds vaker in aanraking met filamenten, ook in ons dagelijks leven vinden we steeds meer producten die geheel of gedeeltelijk afkomstig zijn van Additive Manufacturing met filamenten. Decoraties, kapstokken, vazen, sportartikelen en nog veel meer artikelen die we min of meer dagelijks gebruiken kunnen nu worden geproduceerd met behulp van filament 3D-printen.

Conclusie

Hopelijk heeft deze blogpost duidelijk kunnen maken dat de populariteit van filament 3D-printen niet alleen te danken is aan het grote gebruik ervan in de hobbysector, maar ook aan de unieke eigenschappen en de mogelijkheid om kwaliteitsproducten te produceren tegen veel lagere kosten. Én minder tijd.

Dit hoge profiel betekent nu echter niet dat deze technologie op de reeds ontvangen lauweren kan rusten. Andere processen van Additive Manufacturing worden steeds bekender en er vindt snelle vooruitgang plaats in Additive Manufacturing.

Bij filament 3D-printen is deze vooruitgang voornamelijk materiaal gerelateerd. Hoogwaardige materialen die sommige nadelen van deze productietechnologie op zijn minst kunnen verbeteren, zo niet elimineren, komen steeds vaker voor en er verschijnen meer 3D-printers die deze materialen kunnen verwerken.

Als je geïnteresseerd bent om je met eigen ogen te vergapen aan de laatste informatie over filament 3D-printen kan ik je een bezoek aan een showroom aanbevelen.

Anders hoop ik dat deze inleiding tot filament Additive Manufacturing u heeft kunnen helpen een overzicht te krijgen van deze technologie en de mogelijkheden ervan.