Voor constructeurs en hobbyisten

Het klinkt als science fiction, maar het is al werkelijkheid. Auto- en motorconstructeurs gebruiken 3d-printers voor het maken van onderdelen en prototypes. Maar ook voor hobbyisten zijn er betaalbare printers, waarmee je zelf leuke kunststofdelen voor je motorfiets kunt printen.

Door Peter Aansorgh

Bijna iedereen heeft tegenwoordig wel een inktjetprinter. Zo’n printer print inkt op een vel papier. Dat kan tot op de micron nauwkeurig. In 2D. Daar kijkt niemand meer van op. Wat als we over die 2D-print nog een laagje printen? En dan nog een laagje. Dan krijgen we een relief. En als we nog verder gaan een 3D-voorwerp. Inkt is daar natuurlijk niet geschikt voor. Maar we kunnen de inkt vervangen. Bijvoorbeeld door gesmolten kunststofdraad. Of door chocola. Dan kun je echte 3D-modellen printen uit een digitale 3D-tekening, via “additive manufacturing”, maken door steeds materiaal toe te voegen. Dat is ideaal voor ontwerpers. Die kunnen zo snel het voorwerp tastbaar maken en ontwerpfouten corrigeren, voordat er dure gietmallen worden gemaakt. Je kunt er ook echte, bruikbare onderdelen mee maken, zelfs uit metalen als aluminium, ijzer en titanium en RVS, terwijl je ook keramiek kunt printen.

FDM printen

De verhitte spuitkop zorgt dat er een fijn draadje gesmolten kunststof wordt uitgespoten

Er zijn op dit moment vier printtechnieken. De eerste is “Fused Deposition Modelling”. Dit is eigenlijk het hierboven beschreven proces. De printer spuit een dunne draad gesmolten materiaal in een 2D-tekening. Daarna zakt de grondplaat waarop de tekening ligt een fractie, of de spuitkop wordt een fractie hoger gezet. Vervolgens wordt er een tweede 2-D-tekening op gesmolten. Zo wordt er laagje voor laagje een 3D-model opgebouwd. Er zijn printers met meerdere spuitkoppen, zodat die meerdere kleuren of materialen door elkaar kunnen gebruiken. Zo kun je bijvoorbeeld een kunststof ontwerp maken waarin al rubberen oliekeerringen zitten. FDM-printen is vooral geschikt voor materialen met een laag smeltpunt, zoals kunststoffen.

Selective Laser Sintering

De tweede techniek is “Selective Laser Sintering (SLS). Hierbij wordt een laagje kunststof- of metaalpoeder op een grondplaat gestrooid of gerold, waarna een laserstraal het poeder aan elkaar smelt op die plaatsen waar volgens de tekening massief materiaal moet zitten. Dan zakt de grondplaat weer, waarna er een nieuw laagje poeder over het geheel wordt gestrooid of gerold. Dat wordt weer vastgesmolten en zo wordt het voorwerp opgebouwd. Inmiddels is er ook al een hybride vorm tussen SLS en FDM, waarbij een poeder direct op het te maken onderdeel wordt gespoten en vastgelaserd.

Resin en epoxy

Bij de derde techniek wordt een vloeistof of een synthetische hars (resin) door een straal UV-licht verhard. Ook bij deze “stereolithografie” (SLA) wordt het voorwerp laagje voor laagje opgebouwd. Dan is er nog een vierde techniek, die lijkt op SLS: hierbij wordt aluminium gebruikt. Dat wordt echter niet gelaserd, maar met een epoxyhars gelijmd. Daarna wordt het ontwerp gebakken bij 300 graden. Dit levert een uitermate broze constructie op. Die wordt nogmaals bij een veel hogere temperatuur gebakken, liggend in een bak met bronspoeder. Dat brons trekt in de constructie, waarna er een massief metalen ontwerp ontstaat.

Vrijheid van ontwerp

3d-printen biedt een grote vrijheid van vormgeving

3D-printen biedt een enorme vrijheid van ontwerp. Er zijn vormen mogelijk, die op andere manieren niet gemaakt kunnen worden. Bij giet- en spuitgietonderdelen moet de vorm bijvoorbeeld altijd zo worden gekozen, dat het voorwerp nog uit de mal kan worden gehaald. Bij het boren van een gat zit je aan een ronde boor vast. Halverwege het boorgat van richting veranderen gaat daarmee ook niet. Bij 3D-printen kun je dat zonder enig probleem. En neem iets simpels als een scharnier. Bij een scharnier moet de pen door het gat kunnen en dus moet de pen via een andere constructie, zoals een gat en een splitpen, worden geborgd. Met 3D-printen kan de scharnierpen aan beide kanten een verdikking krijgen, zodat hij meteen is geborgd. Daarnaast biedt 3D-printen mogelijkheden die andere technieken niet bieden. Zo kun je bijvoorbeeld een swingarm maken waar de remleidingen in zijn geïntegreerd.

Kleine aantallen

3D-printen werkt niet snel, omdat het product laagje voor laagje wordt opgebouwd. Daarom is het vooral geschikt voor kleine aantallen of one-orfs, bijvoorbeeld voor oldtimerrestaurateurs. Sommige onderdelen zijn niet meer te koop, een mal maken voor een enkel onderdeel is onbetaalbaar. Een 3D-design maken en uitprinten kan uitkomst bieden. Verder is 3D printen handig voor “Rapid Prototyping”. BMW maakt de eerste modellen van een auto vrijwel helemaal via 3D-printtechniek, omdat het te duur is om in dat stadium al mallen te maken. Maar 3D-printen wordt ook al voor productiewerk gebruikt. Airbus maakt scharnieren voor hun vliegtuigen bijvoorbeeld via 3D techniek. Airbus realiseert dankzij de aparte vormgevingen, die met 3D-printen mogelijk zijn, tussen de 20 en 80% gewichtsbesparing per onderdeel.

In de autotechniek zien we ook al diverse toepassingen van geprinte onderdelen. Zo maakt Eos carbonfiber aandrijfassen met geprinte, titanium flenzen. Deze as is 73% lichter dan aan conventionele as. Ook maken ze een remschijf van kobalt-chroom met geintegreerde koelkanalen. Deze is 25% lichter en biedt betere prestaties door betere koeling. BMW liet vorig jaar in Miramas een 3D-geprint motorfietsframe zien.

3D-printen biedt veel mogelijkheden, maar gaat niet de hele maakindustrie veranderen. Sommige dingen zijn in massaproductie veel goedkoper en gemakkelijker te maken. Verder moet je ook de sterkte in de gaten houden. Geprint aluminium is bijvoorbeeld 30% minder sterk en bij kunststof kan er verschil zitten tussen de sterkte in het X-Y-vlak en de sterkte in het Z-vlak. Daar moet je als ontwerper rekening mee houden, je kunt niet zomaar een bestaand onderdeel kopiëren.

Zelf printen

Een 3D-printer heb je al rond de 200 euro

Er zijn tegenwoordig al 2D-printers te koop voor minder dan 200 euro. Daarmee kun je zelf kunststof delen printen. Deze printers bestaan uit een “bed”, dat is de plaat waarop je print. De spuitkop – standaard met een printkopje van 0,4 mm – smelt een kunststof draad van 1,75 mm en legt die in laagjes op elkaar op het printbed. Voor elk laagje gaat de kop iets omhoog, bij een Creality Ender 3 Pro bijvoorbeeld 0,12 mm, 0,16 mm, 0,20 mm of 0,28 mm, al naar gelang de instelling. Zo smelt hij steeds een nieuw laagje kunststof op het vorige. Er zijn daarvoor diverse kunststoffen in de handel. Standaard gebruik je Poly Lactic Acid oftwel PLA. Dat is een biologisch afbreekbare kunststof die uit maiszetmeel of suikerriet wordt gemaakt. Het smelt bij 180° Celsius. Moet het steviger en meer temperatuurbestendig, dan print je met Acrylonitril-butadieen-styreen of ABS, dat vanaf 220° smelt. Moet het flexibel, dan print je met Thermoplastic Polyurethane of TPU, dan krijg je een soort rubber. Dan zijn er nog andere materialen verkrijgbaar, zoals PETG, PVA en nylon, er zijn vele kleuren verkrijgbaar en zelfs filamenten met carbonfiber- of houtvezels of met metaaldeeltjes. Daarvoor moet je wel een groter printkopje monteren. Voor sommige kunststoffen, zoals ABS, moet het bed waarop je print ook verwarmbaar zijn, anders koelt het voorwerp te snel af en kan het barsten. De Creality Ender 3 heeft bijvoorbeeld geen verwarmbaar bed, de Creality Ender 3 Pro, die bij 123-3d.nl nu €219,50 kost, heeft dat wel. Een kilo-rol filament kost doorgaans tussen de 20 en 40 euro, daar kun je veel ontwerpen mee printen.

Digitaal ontwerpen

Voor het printen van voorwerpen moet je een digitaal 3D ontwerp hebben. Nu heb je voor een professioneel 3D ontwerpprogramma de nodige kennis nodig, maar er zijn ook eenvoudige programma’s, zoals Tinkercad van Autocad. Dit gratis onlineprogramma werkt met kant en klare vormen, die je in allerlei richtingen kunt uitrekken, draaien en verkleinen. Je kunt de vormen aan elkaar plakken of van elkaar “aftrekken”, tot je de vorm hebt die je wilt.  Er zijn inmiddels ook handscanners voor rond de 250 euro (XYZ printing 3D scanner 2.0) waarmee je voorwerpen kunt scannen en kopiëren. Daarnaast zijn er diverse sites waarop enthousiaste ontwerpers hun 3D-ontwerpen ter beschikking stellen. Kijk maar eens op thingiverse.com of grabcad, type daar eens motorcycle in de zoekbalk en zie wat je tegenkomt…

Slicen Een 3D-ontwerp sla je op als STL-file. Dat importeer je in een “Slicer-programma”, zoals het gratis programma Ultimaker Cura. Dat programma zet het STL-file om in een “G-code”. Dat is een stuurprogramma voor de printer, dat hem vertelt in welk patroon hij moet gaan printen. In Cura geef je aan met wel materiaal je print (daarmee met welke temperatuur voor de printkop en het bed) en hoe nauwkeurig je wilt printen. Ook geef je aan of je “ondersteuning” wilt. Een printer kan namelijk niet in de lucht printen. Een laag je moet aan een vorig laagje vastzitten. Hij kan een overhang tot 45° wel aan, wordt het groter dan moet er een soort steigertje gebouwd, dat je later kunt wegbreken. Verder kun je aangeven hoe massief een voorwerp moet worden. Standaard is een “infill” van 20%. De printer print dan wanden van 1,2 mm en vult het inwendige van je voorwerp op met een honingraat met 80% lucht en 20% kunststof. Moet het steviger zijn, dan kun je dat percentage verhogen. Heb je de instellingen gekozen, dan laat je Cura slicen en zet je de g-code op een geheugenkaart, die je in de printer steekt. En dan begint de magie.

Vond u dit een goed artikel? Dan zou ik het op prijs stellen als u me op een kop koffie trakteert! U kunt een kleine bijdrage storten via de “donatie” knop in de menubalk. Bij voorbaat dank!