3D-printen ABS toegankelijker
Geplaatst op 31 maart 2020 om 10:37 uur
Als je ooit op een Lego-steentje bent gaan staan, dan weet je hoe pijnlijk dat kan zijn. En niet te vergeten hoe onverwoestbaar die kleine steentjes zijn. De combinatie van duurzaamheid en indrukwekkende treksterkte, om nog maar te zwijgen van de glanzende afwerking, is te danken aan het materiaal: ABS - een thermoplastische polymeer en favoriet voor gespuitgiete consumptiegoederen.
Behalve treksterkte, staan op de indrukwekkende lijst van materiaaleigenschappen van ABS onder meer de hoge temperatuurbestendigheid, de recyclebaarheid, de hoge chemische bestendigheid en de lage elektrische geleidbaarheid. Daarom wordt ABS gebruikt om zoveel van de alledaagse voorwerpen om ons heen te maken, van autodashboards en elektrische behuizingen tot computertoetsenborden en natuurlijk kinderspeelgoed.
Een functioneel prototype van een pneumatische pomp. 3D-geprint zijn de hittebestendigheid en sterkte vrijwel gelijk aan die van gespuitgiet ABS.
Alternatief
Nog steeds zijn het de traditionele productietechnieken als spuitgieten, die het leeuwendeel van onderdelen in ABS produceren. Maar voor het snel maken van prototypes of kleine series eindproducten in ABS, heeft 3D-printen met industriële kwaliteit zich ontwikkeld tot een economisch en populair alternatief. Zeker met ‘high-end' 3D-printers zijn onderdelen in ‘engineering-grade' ABS te maken. Lange tijd is het voor ‘desktop' 3D-printers een worsteling geweest die onderdelen te printen met een kwaliteit en reproduceerbaarheid die een industrieel of mechanisch ontwerper verwacht.
Taco
Dit komt voort uit de hoge temperatuurbestendigheid en het smeltpunt van ABS. Bij afkoeling leidt dit tot delaminatie en dat leidt tot ernstige structurele verzwakking van onderdeel en uiteindelijk tot kromtrekken en scheuren. En dan laat je het wel om ABS te willen gebruiken. Afschrikken van het onderdeel om het snel af te koelen, kan bij blootstelling aan de lucht leiden tot krimpkrachten. Wie ABS-onderdelen met een desktop 3D-printer wil maken, kan daarom maar beter opteren voor een gecontroleerde afkoeling en een gesloten kamer. Hoe groter het onderdeel, hoe groter anders de kans dat door krimpkrachten het onderdeel kromtrekt of er uitziet als een ‘taco'.
Bij de Method X-3D-printer (rechts) bedraagt de temperatuur in de printruimtekamer 100 °C zodat ook met echt ABS kan worden geprint. Bij de Method-3D-printer (links) is dat 60 °C.Hacks
Daarom laten sommigen ABS helemaal varen voor alternatieve materialen. PLA heeft bijvoorbeeld een lagere printtemperatuur van 190-230 °C, in vergelijking met de aanbevolen 210-250 °C voor ABS, en ook het risico op kromtrekken is minder. Maar het lage smeltpunt van PLA gaat ten koste van de treksterkte als het wordt verwarmd boven 50 °C, met een breekbaar onderdeel als resultaat.
Maar engineers laten zich door een chemisch probleem niet van de wijs brengen. Voor degenen die vastbesloten zijn om door te gaan met ABS: met verschillende ‘hacks' en alternatieve benaderingen is het mogelijk de kwaliteit van het onderdeel te verbeteren. De meeste oplossingen komen neer op een van twee fundamentele benaderingswijzen: het materiaal aanpassen of de 3D-printer aanpassen.
B in ABS
Zoek op het internet en je vindt een scala aan gemodificeerde ABS-materialen, van thermochroom en doorschijnend, tot vlamvertragend en zelfs lichtgevend (‘glow in the dark'). De chemische aanpassingen geven de vrijheid om de ideale formule te kiezen voor het specifiek gebruik. Maar aan de gewijzigde formules hangt over het algemeen wel een ‘prijskaartje'. En ABS dat ‘geoptimaliseerd is voor 3D-printen', vormt daarop geen uitzondering. Het chemisch wijzigen van ABS kan bijvoorbeeld de hittebestendigheid verbeteren - door het toevoegen van een additief of het verhogen van de verhouding polybutadieen (de B in ABS). Maar dat moet je wel afwegen tegen een paar nadelen: een lagere warmtevormvastheid, verminderde trekmodulus en een lagere treksterkte. Dit kan resulteren in een inferieur product dat totaal ongeschikt is voor de vele hoogwaardige toepassingen van ABS, in bijvoorbeeld de productie van ruimtevaart- en auto-onderdelen.
Van bouwplaat...
Als het wijzigen van het materiaal niet het gewenste effect heeft, dan is het logisch dat je naar de 3D-printer kijkt. Op veel desktop 3D-printers kan je zelf de temperatuur van de bouwplaat regelen. Een temperatuurgestuurd verwarmd bed kan een deel van de warmte overbrengen op de onderzijde van de print. Dit vermindert het risico op delamineren. MakerBot heeft dit gebruikt in de vroegere 3D-printers, maar het effect is beperkt. Je kan niet consistent en simultaan de temperatuur van alle lagen van een onderdeel regelen en het blijft dan toch kwetsbaar voor kromtrekken en scheuren.
...naar bouwvlak
Daarom is er bij de ontwikkeling van het in 2018 geïntroduceerde Method-platform voor gekozen de temperatuur van het bouwvlak te regelen en niet alleen van de bouwplaat. In plaats van eenvoudigweg vanaf de onderzijde te verwarmen, is het door de afgesloten bouwkamer mogelijk de warmte in de kamer te recirculeren door lucht van beide zijden aan te trekken. Dit zorgt voor een betere regeling omdat elke laag in dezelfde verwarmde ruimte wordt geprint - zonder met de printerinstellingen te hoeven ‘rommelen'. De technologie is bedacht om ABS-onderdelen van productiekwaliteit en met een hoge maatvastheid te maken (met de vorig jaar geïntroduceerde Method X - red.) tegen een aanzienlijk lagere prijs dan met traditionele productiemethoden mogelijk is.
Een in ABS 3D-geprint schuurhulpstuk voor bevestiging aan een robotarm. Het witte materiaal is ondersteuningsmateriaal dat nog moet worden verwijderd.
Waarom?
Maar zelfs met een nieuwe aanpak om de temperatuur van het bouwvlak te beheersen, blijven er voldoende uitdagingen over. Aangezien de extruder zich in een warmere omgeving bevindt, bestaat er een risico op uitzetten. Je kan je afvragen met een fundamenteel thermisch probleem bij het gebruik van ABS op een desktop 3D-printer, waarom je zo moet volharden in je strijd met de materiaaleigenschappen? Maar dat heeft te maken met de visie van MakerBot op de toekomstige maakindustrie, namelijk die van een gedecentraliseerd, ‘on-demand' productiemodel door 3D-printen. Gespuitgiet ABS zal vanwege de snelheid en de lage kosten, nog jarenlang de beste keuze zijn - als het gaat om massaproductie. Maar wanneer het gaat over tientallen, honderden of zelfs duizenden stuks, of als klantspecifieke productie nodig is, heeft 3D-printen de betere papieren. De traditionele kosten-batenanalyse bij het maken van een gereedschap, prototype of eindproduct gaat op de helling. Ontwerpen kunnen sneller worden getest en verbeterd, zodat innovatie en ‘time-to-market' worden versneld. En dat alles tegen veel lagere kosten dan bij de conventionele technieken.
Breder publiek
Nu ABS van productiekwaliteit niet alleen meer op traditionele 3D-printers beschikbaar is, komen de inherente voordelen van 3D-printen binnen handbereik van veel meer engineers. Zij zijn voor hun ABS-onderdelen niet meer veroordeeld tot grote en dure industriële 3D-printers. Daarom is de Method X 3D-printer een ‘step-change' voor industrieel 3D-printen. Nu kunnen ontwerpers en engineers met een toegankelijker 3D-printer met serieus ABS aan de slag, voor zowel nauwkeurigere en functionelere prototypes als robuustere en betrouwbaardere productieonderdelen.
All Axis Robotics laat dat goed zien. De metaalbewerker uit Dallas levert turnkey robotoplossingen aan andere metaalbewerkers. Niet alleen levert het bedrijf de robotarmen, maar ook op maatgemaakte eind-effectors. Een van hun klanten wilde de robotarm gebruiken om werkstukken te schuren. Voor dat doel is een schuurhulpstuk ontwikkeld, dat aan de robotarm kan worden bevestigd. Met de Method X is de houder 3D-geprint in ABS, tegen een kostprijs en met een doorlooptijd die regulier onmogelijk zouden zijn.
Het belang van ABS in de productie is nog nooit zo groot geweest. Het is belangrijk dat de ontwikkelingen bij het 3D-printen, het gebruik verder kunnen uitbreiden. De industrie heeft zo de beschikking over een alternatief voor de traditionele productiemethodes. De duurdere, grote industriële 3D-printers vervullen nog steeds een belangrijke industriële behoefte als het om specifieke industriële eisen voor ABS gaat. Maar het lijdt geen twijfel dat een toename van bereikbare 3D-printers die met echt technisch hoogwaardig ABS kunnen werken, een schat aan mogelijkheden biedt voor een veel groter technisch publiek.