Rapid prototyping. Keywords Materialise, strandbeest,3dprinten, laser synthering, thermoplastics, PC

Transcriptie

1 Rapid prototyping Keywords Materialise, strandbeest,3dprinten, laser synthering, thermoplastics, PC Groep 3.05A Omer Wullur Chiel Borgonjen Enno Cleveringa Tessa van der Heiden Gijs Vos Specialisatieproject Michelle Steenmeijer Begeleider: Jan Willem de Kruijff Groep 3.05A: 3D-printen 1 1

2 Ten geleide Voor het vak IP is er 8 weken gewerkt naar het uitbrengen van dit verslag. Wij hopen dat na het lezen van het verslag U een goed beeld heeft van onze werkzaamheden We wilden de grenzen van het door ons gekozen productieproces opzoeken bij het ontwerp van ons product. Dit vroeg meer tijd (brainstormen, vergaderen, een productkeuze maken om die enkele dagen later weer te verwerpen) dan we hadden verwacht, waardoor we in eerste instantie achterop schema raakten, maar hard work paid off en we zijn unaniem blij met onze uiteindelijk keuze, en ook blij met het afdoen van eerdere ideeën. Ten slotte zijn we erg dankbaar tegenover de mensen van Materialise. We werden hartelijk ontvangen om vervolgens een uitgebreide presentatie en rondleiding door het hoofdkantoor te krijgen. Het was ook erg fijn dat er genoeg ruimte was om vragen te stellen. Groep 3A.05 wenst u veel leesplezier! Groep 3.05A: 3D-printen 2 2

3 Inhoudsopgave 1. Inleiding 4 2. Materialise 6 3. Productieprocessen 9 Stereolithography 10 Laser sintering 13 Fused deposition modelling 16 Ployjet Ondersteunende processen Het ontwerp 25 Functie 26 Functie detail 27 Materialen en productieprocess 32 Kostenmodel Ontwerpregels en richtlijnen Conclusie Appendix 41 A: Materiaaleigenschappen 41 B: Bronnen 49 Groep 3.05A: 3D-printen 3 3

4 1. Inleiding Als projectgroep hebben wij gekozen ons grondig te verdiepen in de wereld van het 3Dprinten. Een 3Dprinter, het woord zegt het al, een drie dimensionale printer is een unieke techniek voor het creëren van complexe vormen. `3Dprinten is ontstaan in 2000 uit een aantal projecten van de TU van Cambridge, Massachusetts. Het was ontstaan als een manier van Rapid Prototyping. De universiteit heeft vervolgens aan 6 bedrijven de licenties overgedragen om te produceren en de technologie te gaan onderzoeken. Dit was echter nooit gebeurd als er midden jaren 90 niet vele digitale vormingstechnieken waren ontwikkeld. In de laatste 11 jaar is er veel geëxperimenteerd met materialen. Ook zijn er verschillende 3Dtechnieken ontwikkeld. In elke van deze technieken gaan we zo verder op in. Een recente ontwikkeling is dat de 3Dprinttechnieken niet alleen als rapid prototyping kan worden gebruikt, maar maakt nu ook zijn opmars als (rapid) manufacturer. Waar wordt 3Dprinten op dit moment al toegepast? De techniek wordt vooral toegepast in bedrijven die visuele en tastbare concepten nodig hebben ter demonstratie en geen tijd of kennis hebben om zelf model tot stand te brengen. Daarnaast wordt de techniek ook toegepast in de architectuur om snel maquettes te maken. Daarnaast wordt 3Dprinten ook toegepast in de medische wetenschap. Zo gebruiken tandartsen het al, om tandafdrukken direct om te zetten in mallen en dit kan dan voor elk individu worden gedaan. Verder wordt de techniek gebruikt door kunstenaars die bijvoorbeeld een vorm willen creëren die op geen andere manier kan worden gemaakt. Als laatste wordt de techniek voor producten van kleine seriegrootte gebruikt. Voor een kleine seriegrootte zou de investering van een mal te groot zijn en is het dus goedkoper de producten te printen. Over de toekomst van de 3Dprinter wordt al veel gefantaseerd. Veel mensen denken dat de prijzen van consumenten 3Dprinters met de jaren steeds lager worden, waardoor uiteindelijk elk kantoor zijn 3Dprinter heeft. De eerste consumenten thuis3dprinter is zelfs al een feit. September vorig jaar bracht een chinees bedrijf een UP! Personal Portable 3D Printer op de markt voor 3000 dollar. Men zou 3Dmodellen, van bijvoorbeeld theekopjes, kunnen downloaden en thuis binnen een mum van tijd deze op tafel hebben staan 1. Groep 3.05A: 3D-printen 4 4

5 De Up! Personal Portable 3Dprinter en voorbeelden van zijn toepassingen Naast consumenten 3Dprinters, wordt er ook veel geëxperimenteerd met het printen van organische stoffen, zodat een eigen maaltijd kan worden geprint 2. Dit is niet alleen leuk, maar men probeert hiermee de negatieve industriële impact van bijvoorbeeld voedselbereiding of verpakking te verminderen of zelfs te elimineren. Een ultiem doel is het printen van vervangende organen en ledematen 3. Hiermee kunnen veel slachtoffers snel geholpen worden. Niemand kan nog zeggen of de opkomst van de (thuis) 3Dprinters een grote impact zou hebben op ons leven. Het is echter zeker niet onwaarschijnlijk dat het 3Dprinten goedkoper en geoptimaliseerd zal worden en daardoor zullen steeds meer producten worden ge3dprint. Waarom hebben we van alle productieprocessen beschikbaar juist voor deze gekozen? Een aantal interessante feiten op een rijtje, die voor ons grote rol speelde voor onze keuze. Deze manier van produceren is heel jong en de techniek gebruik maken voor manufacturing staat nog een in de kinderschoenen. Dit is het enige productieproces waar in één keer (fase) een heel product (met o.a. werkend mechanisme) kan worden neergezet terwijl bij andere productieprocessen een onderdeel wordt geproduceerd en het product vervolgens geassembleerd moet worden. De toekomst van 3Dprinten, het is interessant en leuk om te zien hoe sommige mensen denken dat over niet al te lang iedereen in huis een eigen 3Dprinter in gebruik heeft. Groep 3.05A: 3D-printen 5 5

6 2. Materialise Materialise is een van de vooraanstaande bedrijven op het gebied van 3D printen. De hoofdvestiging bevindt zich in Leuven en in 1990 is het daar ook opgericht in samenwerking met de Universiteit van Leuven. Sinds die tijd zijn ze meegegroeid in de technologie van het 3D printen. In 1996 zijn ze uitgeweid naar de Verenigde Staten en 4 jaar later hebben ze ook verschillende vestigingen opgezet in verschillende landen in Azië en Oost-Europa. Inmiddels zitten ze verspreidt over heel Azië, Europa en Noord-Amerika. De langen hebben eigen specialisatiegebieden. Zo zijn er zes verschillende markten waarbinnen ze fungeren: Bio geneeskunde R&D (Biomedical R%D), Software (Additive Manufacturing Software), Rapid Prototyping (CAE Geometry Preparation en Rapid Prototyping), Consumenten productie (Low Volume Manufacturing), Tandheelkunde (Dental solutions). Hun core business is Rapid Prototyping. Zo doen ze verschillende diensten op het gebied van interieur en dergelijke, maar op het moment ligt hun grootste markt nog steeds bij prototyping 4. 3D printen wordt op dit moment nog vooral voor Rapid prototyping gebruikt. Het is een langdurig proces en (nog) niet geschikt voor serieproductie. Het zou niet rendabel zijn om alledaagse producten te maken omdat dit voor veel mensen veel te prijzig zou zijn. Wel is Materialise bezig om hun productieproces aan de gewone man te brengen. Dit doen zij via de site imaterilise.com, waarbij mensen hun eigen ontworpen product kunnen laten 3D printen. Dit is ook een manier om aan mensen te laten zien wat voor voordelen deze productiemethode heeft. 3D printen is namelijk een techniek waarbij heel veel mogelijkheden zijn wat betreft vormgeving. Door mensen zelf producten te laten ontwerpen, wordt men bekend en enthousiast voor deze methode. Het interessante aan het bedrijf is dat ze doormiddel van hun site duidelijk een beeld van hun bedrijf bij de mensen willen scheppen. Zo ziet de site er helder uit, gericht op innovatie en vernieuwing. Een multinational die op een groot deel van de planeet operatief is. Een kijkje in de productiekamers liet een ander beeld zien. Er waren twee aparte afdelingen, waar bij de ene mensen werkten en de andere een aantal printers stonden waarbij niemand aanwezig was. Binnen een van de twee was ook een schuurruimte waar een handjevol mensen bezig waren om alle producten na te bewerken. De hoofdvestiging biedt niet alleen onderdak voor kantoorruimtes, maar ook de productie wordt er gehuisvest. Verder werd duidelijk gemaakt dat er actief onderzoek wordt gedaan om materialen betere mechanische eigenschappen te geven, zodat het op de lange duur mogelijk wordt om gebruiksproducten op de markt te zetten. Groep 3.05A: 3D-printen 6 6

7 Waar houdt Materialise zich mee bezig? Wanneer het aankomt op 3D printen houdt Materialise zich bezig met vier specifieke gebieden, namelijk industriële service, software, tandheelkunde en kunst (genaamd.mgx). Eigen onderzoek doen ze vooral in de softwaresector en met tandheelkunde. Bij de andere twee gebieden werken ze vooral in opdracht en overleggen ze met de klant wat de wensen zijn en hoe ze het beste kunnen aanpakken. Om een idee te geven van waar Materialise zich mee bezig houdt, kunnen hier vier korte voorbeelden gevonden worden die de inhoud van de sectoren duidelijker maken. Dit is een maquette van de architect Pier Luigi Nervi. Hij is gemaakt met behulp van laser sinteren. Er is juist voor deze techniek gekozen omdat de oppervlakte hier het gaafste wordt, ook mede doordat er niet veel nabewerking voor nodig is. Bij laser sinteren hoeft geen steunmateriaal gemaakt te worden namelijk en dat scheel met wegwerken. Dit model reist nu de wereld over van tentoonstelling naar tentoonstelling. Pininfarina Sintesi is een concept car die mede ontwikkeld is door Materialise. Er zijn verscheiden onderdelen ontwikkeld door Materialise, maar het belangrijkste onderdeel is toch wel het dashboard, vanwege zijn prominente plaats in de auto. Het is een primeur voor 3D-printing gebruikt te worden in een concept car. De onderdelen zijn mede gemaakt met behulp van stereolithografie. Zonder deze technologie was dit effect nooit bereikt. Waste Compacter. Dit is een deksel ontwikkeld door de Noorse Arvid Johannesen, om een vuilnisbak die te vol zit aan te duwen, zodat er meer ruimte ontstaat. Materialise heeft het werkende prototype samen met hem ontwikkeld. Dit werd gepresenteerd in een Noorse televisie show, waar Johannesen met zijn product aan mee deed. Onder andere met behulp van laser sinteren heeft Materialise 60 werkende prototypes kunnen maken. Groep 3.05A: 3D-printen 7 7

8 Fiets Lewis Hamilton Samen met het bedrijf BERU f1systems heeft Materialise een prototype gemaakt voor de nieuwe fiets voor Lewis Hamilton. De nieuwste technologieën op het gebied van aerodynamica en motorsport zitten er in verwerkt. Met behulp van stereolithografie zijn de wielen uit een stuk gemaakt en later met hoogglans chroomverf bewerkt. Om de banden een realistisch uiterlijk te geven, is er speciale soft-touch verf gebruikt. Kleinere onderdelen zoals de rembeugels, zijn gemaakt met behulp van laser sinteren. Groep 3.05A: 3D-printen 8 8

9 3. Productieproces Bij Materialise wordt er gebruik gemaakt van 4 soorten technieken van 3Dprinten. Deze zijn de volgende: 1) Stereolithography 5 2) Laser sintering 6 3) Fused Depositon (FDM) 7 4) Polyjet 8 Elk van deze 3Dprinttechnieken zullen in deze volgorde worden behandeld in de volgende pagina s. Na de analyse van deze technieken kan er een gegronde keuze worden gemaakt. Welk productieproces kan het best worden gebruikt voor onze productkeuze. Groep 3.05A: 3D-printen 9 9

10 Stereolithography (SLA) Principe De stereolithografie machine heeft 4 belangrijke onderdelen: 1. Een tank met enige liters vloeibare photopolymeer (ook wel hars genoemd). Deze vloeistof is transparant. 2. Een ondergedompeld geperforeerd platform, welke op en neer kan bewegen 3. Een UVlaser 4. Computer met het CADmodel -- Proces in beeld: eerst wordt een CAD-model omgezet in een printbaar model. Deze wordt ingevoerd in de machine en de UV-laser volgt de patronen, waaruit het uiteindelijke model tot stand komt. Een CAD-model van het product wordt opgedeeld in lagen met een dikte van 0.1 tot 0.25 mm. De informatie van de laagjes wordt ingevoerd in de computer van de stereolithografiemachine. De laser van de printer verft de lagen van het CAD model (van de onderste laag naar boven) in de dunne laag hars. Bij elke nieuwe laag zakt het platform met een fractie van een millimeter, zodat het harde materiaal is ondergedompeld. Dit proces herhaalt zich laag na laag. Uiteindelijk komt het platform omhoog en vloeit het onbelichte materiaal weg waardoor alleen het prototype overblijft. Groep 3.05A: 3D-printen 10 10

11 De chemische reactie verloopt als volgt: Een vloeistof met zwak gecrosslinkte fotongevoelige photopolymeren wordt bestraald met een UVstraal. De absorptie van een UVfoton breekt een C-C binding en resulteert in het onderling linken van de polymeren. Zo ontstaat de vaste polymeer. (zie afbeelding hiernaast) Dit productieproces geeft veel vormvrijheid, waarop gelet moet worden is dat het geen gesloten vormen moet bevatten, want dan kan het restmateriaal niet meer wegvloeien. Voordeel van deze techniek is dat het model nagenoeg direct na de productie kan worden bewerkt en/of gebruikt. Bij materialise kan je bij dit proces gebruik maken van een Mammoetmachine (afmetingen 2100x700x800mm). Naast de standaard en de mammoet stereolithografiemachine is er ook de NextDay machine. Deze is voornamelijk voor rapid prototyping bedoeld en kan zeer snel, maar minder nauwkeurig, een product leveren. Functie Textuur en uitstraling Verticaal is een wel een lagenstructuur zichtbaar, maar horizontaal wordt er glad print. Hoe de textuur van het model geworden is, hangt af van de oriëntatie van het model. Bij dit productieproces kan erg goed worden nabewerkt en er kan transparant geprint worden. Kleur en grafiek Er wordt bij Materialise met dit productieproces niet in kleur geprint. Verder kunnen bijvoorbeeld logo s worden ingeprint als extra laagje op het model Seriegrootte Seriegrootte ligt aan de grootte van het product en de bak van de machine. een product van 10x10x50cm zou na een sessie van 4 a 8 dagen maar 14 producten opleveren. Seriegrootte is niet belangrijk voor de stukprijs (er wordt betaald voor het ontstane materiaal), gezien er geen dure mal of iets dergelijks moet worden gemaakt. Materiaal Huidig beschikbare materialen Alle beschikbare materialen zijn in principe photopolymeren. Poly1500- rigide, funtionele prototypes (PPachtig) TuskXC2700T/Tusk2700W - geschikt voor sterke, waterbestendige prototypes (ABSachtig) Flex70B - rubberachtig NeXt - duurzaam en hitte en vochtbestendig Protogen White duurzaam en nauwkeurig (ABSachtig) Xtreme hoge slagvastigheid, hoge rek bij breuk NanoTool - sterk, stijf en hittebestendig. Geometrie Vormen kunnen erg complex. Waar wel rekening mee moet worden gehouden is dat bij dit proces zo nodig steunmateriaal wordt geprint. Dit steunmateriaal moet ook weer verwijderd worden met de hand. Daar moet rekening mee worden gehouden in een vorm met steunmateriaal. Zo ziet het steunmateriaal eruit. Er wordt hierbij rekening gehouden met een minimaal gebruik van materiaal, maar wel volle sterkte. Groep 3.05A: 3D-printen 11 11

12 Kwaliteit Afwerking Modellen die zijn gemaakt met stereolithographie zijn goed na te bewerken. Zie hiervoor ondersteunende processen Stabiliteit Het materiaal heeft zwakke mechanische eigenschappen en is niet goed hittebestendig (ong. 50 graden zorgt al voor onwenselijkheden). Daarom wordt deze techniek niet voor werkende modellen gebruikt en is meer voor show and tell conceptmodellen. Het gaat meer om het visuele dan het functionele bij stereolithografie. Homogeniteit De homogeniteit is heel hoog. Omdat bij 3Dprinten het materiaal in laagjes is opgebouwd, is alles gelijk uitgehard en is de kwaliteit over het model gelijk. Ruwheid Oppervlakte van de modellen is onnauwkeurig, daarom is bij deze techniek afwerking ook vereist. Toleranties Methode laagdikte nauwkeurigheid NextDay Stereo 0,15-0,2mm +/- 0,20 % Standard Stereo 0,1-0,15mm +/- 0,20 % Mammoth Stereo 0,1-0,12mm +/- 0,20 % Kosten Milieu Bij dit productieproces wordt zo min mogelijk materiaal gebruikt. Het is onnodig een mal te maken en verder kan een product hol worden gemaakt (wel met een gat erin om het hars eruit te laten). Het hars wordt ook weer hergebruikt. Er is geen restmateriaal. Ook wordt het allemaal in een gecontroleerd milieu geproduceerd en komt er niets in de natuur terecht. Veiligheid De dampen die ontstaan bij het proces worden goed afgezogen. De machine is goed beveiligd en er hoeft niemand aan te pas te komen tijdens het printen. Doorlooptijd Het ligt aan maten van je ontwerp, maar het printen met een standaard stereolithographieprinter duurt 2-5 dagen. Met een mammoetprinter duurt het 4-8 dagen. De NextDay modellen zijn binnen 24 uur klaar. Investering De enige investering is het aanschaffen van de machine. Deze kosten soms meer dan $250,000. Ze zijn zo duur omdat ze goed moeten doorluchten vanwege de dampen van het polymeer en de vloeistof. Stukprijs Gekeken naar een het populaire fotopolymeer, CibaTool SL5170 hars 9, is de prijs ongeveer $210/liter. Materialise gebruikt zelf dit hars niet. Dit was de enige prijs die te vinden was en het zal een redelijke indicatie zijn voor de prijzen. Laser sintering (LS) Groep 3.05A: 3D-printen 12 12

13 Deze techniek heeft als basis een volume poeder. Wanneer de poeder wordt verhit door de laser komen de korrels tot op een temperatiir waarop ze net niet smelten. Zo groeien de contactpunten tussen de korrels, waaruit hard materiaal onstaat. De laser is gemonteerd op een as die in x- en y- richting beweegt. Het 3d-model dat is ingevoerd wordt opgedeeld in lagen met een dikte van 0.15 mm. De laser verhardt per laag de gewenste oppervlakte, de rest van het materiaal blijft in poedervorm. Vervolgens komt en er een nieuwe laag poeder en herhaalt het proces zich. Zo wordt het model laag voor laag opgebouwd. Uiteindelijk wordt het poeder weggeblazen en blijft het model over. Een groot voordeel van deze techniek ten opzichte van stereolithography is dat het poeder dragend is. Bij het andere proces moet de structuur zelfdragend zijn, of moet er extra draagstructuur worden toegevoegd die naderhand weer met de hand moet worden verwijderd. Bij deze techniek ben je bij het ontwerpen een stuk vrijer en heb je meer vormvrijheid. Ander bijkomend voordeel van het ondersteunende materiaal is dat er maximaal gebruik kan worden gemaakt van de beschikbare ruimte en er meerdere onderdelen tegelijkertijd kunnen worden gemaakt. Functie Geometrie De afmetingen van een geprint product zijn redelijk gelimiteerd. De poeder bevindt zich in een bak die maximaal de afmeting 700x380x580mm heeft. Groot voordeel is dat door het ondersteunende materiaal er meer producten bovenop elkaar tegelijk in een keer kunnen worden geprint en de inhoud van de bak maximaal kan worden benut (dit heet ook wel nesting ). Deze techniek is wel erg aantrekkelijk voor het printen van werkende functionele delen. Materiaal Het basismateriaal is het PA(nylon), dit is een kunststof dat een redelijk hoge treksterkte. Nadeel van het materiaal is dat het bros is en daarmee niet erg geschikte is voor gebruik. Door toevoeging van glasdeeltjes of aluminiumdeeltjes worden de materiaaleigenschappen verbeterd op het gebied van stijfheid en temperatuurbestendigheid. De toevoeging zorgt ook voor hogere kosten. Als laatste kan er ook met puur metaalpoeder worden geprint. Dit is duur omdat de poeder op een erg hoge temperatuur moet worden gehouden om het goed te kunnen printen. Seriegrootte Groep 3.05A: 3D-printen 13 13

14 De seriegrootte is sterk afhankelijk van de geometrie. Om een bak poeder te printen en dit te laten drogen duurt 2 tot 4 dagen. Wanneer er meerdere producten per bak kunnen worden geprint gaat de seriegrootte omhoog, maar de aantallen blijven in vergelijking tot bijvoorbeeld spuitgieten erg laag. Kleur & grafiek De kleur van de 3d-modellen is erg variabel. De kleur van het materiaal is wit, maar het kan goed gelakt worden. De grafiek is ook toepasbaar op de modellen. Omdat er wordt gewerkt met een laagdikte van 0.15 mm kan in het CAD-model een naam of logo worden geplaatst op het model en kan dit meegeprint worden Textuur en uitstraling Textuur van het materiaal is vrij ruw. Het is dan ook gebruikelijk dat het wordt nabewerkt. De modellen worden opgeschuurd om zo een strakke afwerking te bewerkstellingen. De uitstraling van de modellen is erg mooi, omdat de vormvrijheid extreem hoog is bij dit proces kan bij alles wezenlijk worden gemaakt. Kosten Stukprijs De prijs van een geprint model is afhankelijk van het totale volume. Simpel gezegd betaal je een prijs per cm3. Het overgebleven poeder kan worden hergebruikt. Doorlooptijd De doorlooptijd van laser sintering verschilt van een minimum van 2 dagen op tot een week. Kleine onderdelen met lage eisen aan afwerking kunnen in 2 dagen worden gemaakt en zijn klaar voor gebruik. Naarmate er hogere eisen komen aan afwerking en formaat van het model loopt dit op. Grote modellen hebben ten eerste langer nodig om goed te harden en het schuren moet met de hand worden gedaan, wat erg tijdrovend is. Investering De grootste investering is de aanschaf van de printer zelf. Deze kosten al gauw in de orde van euro. Verder is het gebruikte poeder ook duur. Hiernaast moet er een CAD-model worden opgesteld en dit kan bij een complexe vorm veel manuren eisen. Veiligheid De printers zijn goed beveiligd en er men kan niet zomaar bij het poeder. Omdat de machines werken met een temperatuur van 160 graden is er wel risico, maar dit wordt door middel van regels goed geleid. Verder is er in de werkhallen een goede afzuiging. Milieu Omdat er geen restmateriaal is bij dit proces is, heeft het een lage milieustempel. Ook heeft het materiaal PA geen negatieve invloed op het milieu en wordt het ook alleen in gecontroleerde ruimten gebruikt en kan niet zomaar in de natuur terecht komen. Groep 3.05A: 3D-printen 14 14

15 Kwaliteit Toleranties De toleranties van het proces worden bepaald door het materiaal. Er wordt gewerkt met een laagdikte van 0.15mm en er is een nauwkeurigheid van 0.3%. De minimale wanddikte is 1mm, maar voor filmscharnieren is een dikte van 0.3 mm ook mogelijk. Ruwheid De oppervlakte van geprinte producten is korrelig. Hierom moet het goed worden afgewerkt. Het materiaal kan op vele manieren worden behandeld. Het wordt geschuurd en vervolgens kan het worden gelakt of gecoat om een strakke oppervlakte te krijgen. Homogeniteit De homogeniteit is heel hoog. Omdat het materiaal in laagjes is opgebouwd, is alles even hard uitgehard en is de kwaliteit over het hele model gelijk. Stabiliteit Het materiaal dat gebruikt wordt bij dit proces is UV bestendig en de eigenschappen niet naarmate de tijd veranderen. Groep 3.05A: 3D-printen 15 15

16 Fused Deposition Modeling(FDM) Het FDM proces verschilt van laser sintering en stereolythography. Het is wel een proces dat vanuit een CAD-model een wezenlijk model produceert en dit wordt ook in lagen gedaan, maar het heeft als basis niet een volume materiaal dat wordt verhit. Dit proces maakt gebruik van een spuitmond die materiaal extrudeert, vergelijkbaar als bij een soldeerbout, en zo het model opbouwt uit, eenvoudige gezegd, druppels materiaal. Deze spuitmond beweegt over de bovenkant van de machine en kan zo overal in het x-y-vlak materiaal extruderen. In plaats van het toevoegen van een nieuwe laag schuift de spuitmond een stukje omhoog. Hierdoor zie je het model langzaam groeien, in tegenstelling tot de andere processen waarbij je het restmateriaal moet verwijderen om zo het model te zien. Omdat er geen steunmateriaal is om het model te ondersteunen zijn er twee spuitkoppen, een voor het materiaal waaruit het model bestaat en een andere om het ondersteunende materiaal te plaatsen. Deze twee wisselen elkaar af om zo het model goede te ondersteunen. Voordeel van dit materiaal is dat het in warm water oplosbaar is, dit maakt het een stuk minder arbeidsintensief. Functie Geometrie De geometrie wordt ook bij dit proces bepaald door de machine. De maximale afmetingen van waarbinnen de spuitmond kan werken is bij de grootste machine 600x500x600mm. Materiaal Er kunnen een aantal materialen worden gebruikt, namelijk ABS, PC en PPSU. De modellen van ABS doen licht onder voor spuit gegoten producten van dit materiaal, dit is omdat het materiaal op elkaar wordt gelegd en zich wel bindt, maar niet als bij het spuitgieten. Zo heeft een model van die materiaal ongeveer 80% van de sterkte van een gegoten deel, wel heeft het de flexibiliteit van ABS. PC is een materiaal met een hoge impact sterkte en kan wordt daarom ook gebruikt voor testmodellen. Er is ook een combinatie van de twee bovengenoemde materialen om zo de eigenschappen te combineren. Als laatste is er PSSU wat een lichtgewicht materiaal is dat hoge spanning aan kan, het is ook bestand tegen vuur en zuur. Dit materiaal is om deze redenen ook een stuk duurder. Seriegrootte Bij dit proces is het mogelijk om een klein aantal van dezelfde producten in een print te maken, maar niet zo als bij laser sintering. Hierom is de seriegrootte erg laag, ook omdat de doorlooptijd erg hoog ligt. Kleur en grafiek FDM werkt met een laagdikte van tussen 0.15 tot de 0.25mm. Dit betekent dat er goed teksten of logo s aan modellen kunnen worden toegevoegd. Groep 3.05A: 3D-printen 16 16

17 Textuur en uitstraling De textuur en uitstraling van dit proces zijn beter dan van de andere processen. Dit vergt dan ook maar afwerking,. Meeste modellen kunnen direct uit de machine gebruikt worden. Kosten Stukprijs Omdat het materiaal erg duur is, wordt ook het product erg duur. Bij dit proces hoeft weinig nawerking te worden gedaan en dat drukt de kosten wel aanzienlijk. Een model wat tegen de maximale mogelijk afmetingen ligt kost rond e 300 euro. Dit is wel erg afhankelijk van het volume materiaal wat erin verwerkt zit. Investering Bij deze techniek is alleen de aankoop van de machine een grote investering, dit kan oplopen tot euro. Doorlooptijd Het kost de machine, afhankelijk van de afmetingen van het product, 4 tot 5 dagen om van CADmodel tot wezenlijk model te komen. Veiligheid Omdat er geen extra arbeid nodig is tijdens de productie en de computer alles aanstuurt is ook dit een erg veilig productieproces. Verder zijn delasersinterde producten voedselveilig. Milieu Dit proces heeft een lage milieustempel. Het materiaal is het enige wat schadelijk kan zijn, voordeel van het proces is dat er geen restmateriaal is behalve het steunmateriaal en deze is in water oplosbaar en niet schadelijk. Kwaliteit Toleranties De lagen waaruit het model wordt opgebouwd zijn afhankelijk van het materiaal en liggen tussen de 0.1 en de 0.3mm. Minimale wanddikte is 0.25 mm. Ruwheid Het wezenlijke model heeft een strak oppervlak, afhankelijk van het materiaal kan het nog worden geschuurd, maar dat is vaak niet nodig. Homogeniteit Het model wordt opgebouwd uit lagen en dit zorgt voor een grote homogeniteit. De dichtheid en materiaal zijn overal gelijk. Afwerking Zoals eerder genoemd is er weinig afwerking nodig bij dit proces. De modellen zijn van zichzelf al redelijk gaaf en kunnen gelijk gebruikt worden. Stabiel Omdat het materiaal hittebestendig is, is de stof erg stabiel. De stof zal in vergelijking tot stereolithografie en niet gevoelig zijn voor UV Groep 3.05A: 3D-printen 17 17

18 PolyJet De Polyjet technologie maakt het mogelijk zeer dunne en nauwkeurige lagen te leggen. De horizontale lagen bedragen 16μm en de wanddikte kan minimaal 0.6mm bedragen. Hierdoor kunnen nauwkeurige en gedetaileerde producten worden gemaakt en het oppervlak is gladder (minder lagenstructuur dan bij andere 3Dprinttechnieken. Deze techonogie wordt vaak gebruikt voor kleine gedetaileerde sieraden. Door honderden spuitmondjes wordt het vloeibare bouwmateriaal en gel-achtige supportmateriaal geprint. Deze laag wordt daarna snel uitgehard met behulp van UVlicht. Het platform zakt per laag een fractie van een mm en het proces wordt weer herhaald. Met dit proces is het tevens mogelijk 2K te printen. Functie Textuur en uitstraling Er wordt met deze techniek erg nauwkeurig gewerkt, dus het resultaat is gladder en heeft minder de lagentextuur als bij andere 3Dprinttechnieken Kleur en grafiek Er kan in kleur worden geprint, maar dit licht wel aan de beschikbare materialen. Voor deze techniek zijn de kleuren beschikbaar die in de afbeelding hiernaast is weergeven. Seriegrootte Er kan een kleine hoeveelheid modellen in één keer worden geprint, dit drukt de kosten iets, maar het is voornamelijk afhankelijk van het gebruik volume materiaal. Het werkend deel van deze machine heeft afmetingen van 500x400x200 mm. Materiaal Ze gebruiken 4 materialen met elk verschillende eigenschappen: FullCure 720 (standaardmateriaal VeroWhite (wit en sterk) TangoBlack (rubberachtig) TangoPlus (rubberachtig en elastischer) Geometrie Vormen kunnen complex, zolang het steunmateriaal weg kan worden gehaald. Dit steunmateriaal is gelachtig en kan met de hand met water worden weggehaald Groep 3.05A: 3D-printen 18 18

19 Kwaliteit Afwerking Door de technologie die aanwezig is binnen dit proces is er weinig afwerking nodig. Stabiliteit Het materiaal is niet erg stabiel, UV straling en hoge temperaturen hebben relatief veel invloed hierop. Om deze reden wordt het ook vooral voor zichtmodellen gebruikt. Homogeniteit Er wordt verondersteld dat er homogeen wordt geprint. De vloeibare polymeren zijn homogeen. Ruwheid Met deze productietechniek is het beste in printen van erg fijne details en gladde oppervlakken worden geprint. De ruwheid van het product ligt aan de textuur die wordt gegeven via het CADmodel. Toleranties Er wordt voorkeur gegeven aan dit proces als er een klein, fijn en gedetailleerd model nodig is : µm +/- 0,10 % Kosten Milieu Het enige materiaal dat verloren gaat bij dit proces is het gelachtige steunmateriaal. Deze moet je in een afgesloten bak afspoelen en dat water wordt apart opgevangen. Veiligheid Het weghalen van het gelachtige steunmateriaal vraagt geen fysiek contact. Dit wordt gedaan in een afgesloten bak waarbij men via ingebouwde handschoenen het voorwerp handmatig kan afspoelen. Doorlooptijd Het ligt aan de grootte van het model, maar het duurt meestal 2-4 dagen. Investering De prijs van de machine (de Objet Eden500V) is niet eenvoudig te vinden, maar zal waarschijnlijk rond de euro liggen. Stukprijs Stukprijs is iets wat het bedrijf niet graag prijs geeft. Het is wel zo dat de prijs bepaald wordt door het volume materiaal dat gebruikt wordt. Maar werkelijk kosten per cm3 zijn niet te vinden. Groep 3.05A: 3D-printen 19 19

20 4. Ondersteunende Processen Zoals bij andere productieprocessen hoeven er bij 3d printen geen behandelingen zoals stansen en persen gebruikt te worden, omdat deze technologie een extreem grote vormvrijheid kent. Wel zijn er andere processen met betrekking op uiterlijk en sterkte die een grote rol spelen bij deze technologie. Bij vrijwel alle productietechnieken van Materialise is nabewerking een onmisbaar onderdeel. De ondersteunende processen zijn essentieel voor de kwaliteit van het product. Zo zorgt een nabehandeling er voor dat een product stijver wordt of beter tegen externe invloeden kan, zoals UV straling en water. Ook kan er met een nabehandeling bereikt worden dat een geprint product er uitziet als een product dat vervaardigt is uit een ander materiaal, zoals hout, metaal of geweven kunststof. Er zijn een hoop verschillende nabehandelingen mogelijk. Niet elke nabehandeling is nodig en mate van nabehandeling hangt van de wensen van de klant af. Het verschilt per productiemethode wat de nodige en optionele processen zijn. De behandelingen die essentieel zijn voor de kwaliteit van de producten zullen per productiemethode worden behandeld. Daarnaast zullen er nog een aantal optionele behandelingen besproken worden. Stereolithografie Zoals al behandeld is, wordt er bij stereolithografie een vloeistof bestraald met UV waardoor het verhard. Wanneer het product geheel uit de vloeistof is opgerezen wordt deze van het rooster gehaald, waarna het product de eerste stappen van de nabehandeling ondergaat. De eerste stap is het verwijderen van de ondersteunende structuren die meegebouwd zijn met het product. Waarna dit gedaan is de volgende stap het afspoelen van de vloeistof uit de tank die nog op het product zit. Dit wordt met behulp van ethanol (ofwel alcohol) gedaan. Wanneer het product geheel afgespoeld is, krijgt het een UV behandeling om het product verder te laten verharden. Dit gebeurt in een UV oven. Materialise bezit ovens die groot genoeg zijn voor de grootste producten uit hun Mammoth machines. Wanneer het product voldoende gehard is, wordt het uit de oven gehaald, waarna het opgeschuurd kan worden. Bij het opschuren worden de verbindingspunten van de ondersteunende structuren verwijderd. Ook wordt de zichtbare laagjes structuur verwijderd. Wat er vervolgens nog aan het product gedaan wordt hangt af van de wensen van de klant. Er is keuze tussen verschillende coatings, die elk een verschillend effect op het product hebben. De verschillende mogelijkheden van coatings zullen later in dit stuk nog behandeld worden. Groep 3.05A: 3D-printen 20 20

21 Laser sintering Wanneer de onderdelen klaar zijn bij dit proces, moet de oven nog minimaal 2 dagen afkoelen voordat de producten eruit gehaald kunnen worden. Dit moet, omdat het poeder van 180 graden Celsius moet worden terug gebracht naar kamertemperatuur zonder dat er thermische spanningen en verdraaiingen optreden. Nadat het blok poeder met onderdelen voldoende afgekoeld is wordt het poeder verwijderd met een zuiger en de onderdelen worden gesorteerd. Als het product volledig is afgekoeld, is het op volle sterkte. Ook kunnen de onderdelen bij laser sintering niet geschuurd worden. Het materiaal zou eerder smelten door de ontstane hitte dan glad worden. Wanneer men toch de groeven van de laagjesstructuren zou willen doen verdwijnen, kan er eventueel een vulmiddel gebruikt worden om dit te doen. Wel moet hierbij gezegd worden dat de details waarvoor deze technologie juist zo geschikt voor is, kunnen verdwijnen met deze behandeling. Wanneer de structuur van het product naar wens is, kan het product ter bescherming een laag grondmiddel krijgen en het kan worden gelakt. Dit gebeurt wederom alleen wanneer de klant dit wenst. FDM (Fused Deposition Modeling) Nadat het product bij deze methode klaar is, wordt het van het plateau verwijderd en verder behandeld. Wanneer het product ondersteunende structuren had (dat is bijna altijd het geval) wordt het in een bad van water geplaatst om deze structuren op de te lossen. Het bad van water bevat meestal een oplossing van natriumhydroxide om het proces sneller te laten gaan. Ook kan het zijn dat de ondersteunende structuren gemaakt worden van was of een ander materiaal, waardoor deze structuren makkelijk verwijderd kunnen worden door verhitting of door uithakken. Net als bij de producten die voortkomen uit laser sintering zijn deze producten niet geschikt om op te schuren. Zandstralen is wel een mogelijkheid. Ook kan eventueel een vulmiddel gebruikt worden om de gelaagde structuur te laten doen verdwijnen, maar net als bij laser sintering kunnen er in dat geval details verloren gaan. Ook bij deze technologie kan het product worden afgewerkt met een lak of verf. Groep 3.05A: 3D-printen 21 21

22 Polyjet Nadat de polyjet machine klaar is, kan het product weggenomen worden en kunnen de steunelementen verwijderd worden door het gewoon eraf te halen of met water weg te spoelen net als bij FDM. Opschuren is niet nodig vanwege ontzettend dunne laagjes (16 tot 32 µm). Na het verwijderen van het steunmateriaal is het product klaar met de nabehandeling en kan het gebruikt worden. Wel zijn de producten vrij fragiel en poreus. Deze technologie wordt dan ook vooral gebruikt om snel even te kijken hoe een product er in realiteit er uit zou komen te zien. Al is nabewerking niet mogelijk, er kunnen wel meerdere kleuren in een model worden geprint.. Verf en lak Zoals al vermeld, is het mogelijk om producten door verf en lak een realistisch uiterlijk te geven wanneer het gaat om een prototype voor een bepaald materiaal. Ook bepaald de manier van schuren, zandstralen of opvullen hoe het product waargenomen gaat worden. Daarnaast is het natuurlijk mogelijk om het product gewoon een kleur te geven die verder los staat van een bepaald materiaal. Deze behandelingen verschillen per productieproces. Materialise heeft veel keuzes uit nabehandelingen, met ieder een ander effect. De lijst op de volgende pagina s geeft een idee van alle mogelijkheden. (Dit zijn overigens de standaard behandelingen, er zijn nog veel mogelijkheden in overleg met Materialise.) Groep 3.05A: 3D-printen 22 22

23 Productie techniek Naam behandeling Procedure SLA Next Day Steunelementen verwijderen UV behandeling Steunelement bevestigingen wegschuren Zandstralen SLA Basic Steunelementen verwijderen UV behandeling zeindresultaat SLA Normal A Side Steunelementen verwijderen UV behandeling P150 of P240 schuren Zandstralen SLS Normal Poeder verwijderen Zandstralen SLS Smooth Poeder verwijderen Fijner zandstralen SLS Mat paint Poeder verwijderen Zandstralen Matte verf aanbrengen Groep 3.05A: 3D-printen 23 23

24 SLS Polysurfacer Poeder verwijderen Zandstralen Verven met Polysurface-verf (opvulmiddel) SLS SLS SLS Polyjet Polysurfacer +primer Polysurfacer +Mat paint Polysurfacer+ Satin paint Tangoblack Basic Poeder verwijderen Zandstralen Verven met Polysurface-verf (opvulmiddel) Schuren met P240 Grondverf Poeder verwijderen Zandstralen Verven met Polysurface-verf (opvulmiddel) Schuren met P240 + P400 Matte verf (2K PU) Poeder verwijderen Zandstralen Verven met Polysurface-verf (opvulmiddel) Schuren met P240 + P400 Satijn verf (2K PU) Wordt in dit materiaal opgebouwd Polyjet Vero White Basic Wordt in dit materiaal opgebouwd FDM Normal Steunelementen verwijderen Zandstralen Groep 3.05A: 3D-printen 24 24

25 Keuze concept 5. Het ontwerp Tijdens het bezoek aan Materialise hebben we ontdekt dat met 3Dprinten vrijwel alles mogelijk is, op het gebied van grootte, materiaal en sterkte na. Elke vorm is in principe te 3Dprinten. Verder is het mogelijk bewegende delen in een keer te printen. De mogelijkheden zijn eindeloos, maar 3Dprinten is op het moment nog steeds erg prijzig. De uitdaging was om een product te ontwerpen dat het waard is om geprint te worden. De voornaamsten voordelen van 3Dprinten zijn vormvrijheid, elimineren van assemblage en functionele delen printen. Verworpen ideeën Aangezien 3D printen een duur proces is, is het lastig om iets te ontwerpen wat eventueel verkocht zou kunnen worden aan een groot publiek. Waar mogelijkheden lagen is kunst, omdat dit uniek en relatief snel gemaakt kan worden voor een kleine serie. Bovendien hoeft kunst niet goedkoop te zijn. Als eerst was het idee een stekkerdoos te maken. Deze zijn vaak afzichtelijk en passen totaal niet bij de omgeving. Met de vormvrijheid die 3Dprinten ons geeft zouden we een mooiere stekkerdoos kunnen maken. Later waren we erover eens dat een stekkerdoos van wel aardig prijzig zou zijn. Vervolgens dachten we na over een pen (als relatiegeschenk) of een slot. Beide producten vergen veel assemblage, customization en precisie. Een pen volledig 3Dprinten is vrijwel onmogelijk omdat er een inktvulling in moet worden gezet. Bij het slot zouden de materialen te zwak zijn om er herhaaldelijk een redelijke kracht op te zetten. Het gekozen concept is een miniatuur van de Animalis Rhinoceros van Theo Jansen. Dit is een ingenieus systeem van buizen en schanieren wat een kunstmatige loopbeweging maakt. Het grote voordeel van dit product 3D printen is dat het gehele product niet geassembleerd hoeft te worden, maar rechtstreeks werkzaam uit de machine kan rollen. We zijn van plan om een miniatuur met afmetingen van 20cm bij 19 cm bij 13 cm te maken, dit omdat het dan goed handelbaar is en niet te duur. Een FDM machine heeft afmetingen van 600x500x600mm, dus zou er in optimaal gebruik in 1 sessie 8 kunnen worden gemaakt. Het is niet nodig na te denken over seriegrootte, gezien het product on demand kan worden gemaakt en verder geen investeringskosten vergen, behalve manuren voor het CAD-model. De doelgroep voor dit product zijn musea en kunstliefhebbers. De reden dat kunstliefhebbers of musea dit product willen hebben is omdat het een intrigerend systeem is wat ingenieus ontworpen is. Theo Jansen is een van de bekendste kunstenaars als het gaat om techniek met kunst samen te brengen. Een miniatuur van dit ontwerp zou een meerwaarde voor de collectie van een kunstliefhebber. Een persoon met een beetje technisch inzicht kan het 4 stangen mechanisme van dichtbij bestuderen. Bovendien zijn 3Dgeprinte producten niet gangbaar, is zeldzamer en daarmee waardevoller. Tot slot zou de miniatuur als luxe bureauspeeltje kunnen fungeren. Belangrijke reden voor het bedrijf om dit product op de markt te zetten, is omdat het een goed voorbeeld is van de mogelijkheden binnen het rapid prototyping proces. Het is een mooi product om aan zakenrelaties geven om zo een impressie te geven van de mogelijkheden van 3D printen. Groep 3.05A: 3D-printen 25 25

26 Functie De functie van het ontwerp is ten eerste kunst, en ten tweede speelgoed. Zoals eerder vermeld is het ontwerp wat gemaakt gaat worden bij materialise gebaseerd op het strandbeest Animaris Rhinoceros van theo jansen. Zijn doel van het strandbeest is: het creëren van nieuwe, elegante levensvormen. Zijn ontwerp bestaat uit pvc buizen en kan lopen op wind. Het beest heeft een aantal luchtpompen in zich zitten die plastic flessen vullen met lucht tot een hoog drukniveau. Deze lucht is de energie die het beest vooruit laat lopen. De poten werken als spieren, een spier activeert de andere spier waardoor het beest vooruit kan lopen. 10 Er is bewust gekozen voor een minimalistische aanpak van het ontwerp. Elk onderdeel dat in het ontwerp zit is essentieel voor het voortbewegen ervan. Naast het ontwerp van Theo Jansen hebben wij veel geleerd van Youtube films die de beweging van het strandbeest van Theo Jansen illustreerde Ons ontwerp, dat bij materialise gaat worden gemaakt, zal geen lucht gebruiken als aandrijfmechanisme, maar zal door mensen worden vooruitgeduwd. Daarom zal dit ontwerp geen gebruik hoeven te maken van luchtflessen, luchtpompen, en spieren die op het goede moment aanspannen. Alleen de beweging en het uiterlijk wordt nagemaakt. Groep 3.05A: 3D-printen 26 26

27 Het beest beweegt zich voort door middel van twee 4-stangs mechanismen. De beweging die de poot uiteindelijk maakt is hiernaast weergegeven 14 : De rode en de blauwe driehoeken zijn vaste driehoeken, die zullen dus niet van grootte of hoek veranderen. De zwarte stang zit vast aan het mechanisme waar de andere poten ook aan vast zitten, deze zal dus niet bewegen ten opzichte van de rest van het product. De groene lijnen en de rode lijnen maken dus het 4 stangen mechanisme, deze zullen wel van hoek veranderen. functie detail Figuur 1 Groep 3.05A: 3D-printen 27 27

28 Het hele ontwerp bestaat enkel uit stangen (wit) en assen (rood) die met elkaar verbonden zijn door middel van een scharnierende verbinding. Het geheel wordt aangedreven door een krukas die de poten laat lopen. Het ontwerp bestaat uit 3 sets van 2 poten. Hierdoor is de hoek tussen de krukassen 120 graden, op deze manier zal het geheel zich stabiel en gelijkmatig voortbewegen. Om ons beestje zich gracieus te laten voortbewegen hebben de afmetingen van de stangen dezelfde verhouding als de magische getallen die Theo Jansen heeft gebruikt voor zijn Animaris Rhinoceros. Voor extra stabiliteit zijn de poten 5 stangen dik gemaakt waardoor het niet snel uit balans zal raken en de kracht per oppervlakte kleiner wordt. Het beest wordt in een keer geprint. De onderdelen mogen elkaar niet raken, omdat ze anders niet meer los van elkaar kunnen bewegen. Om deze reden is de diameter van de as 2,5 mm en de binnenkant van het scharniergedeelte van de stang 3,0 mm. Door deze kleine opening is er ook minder wrijving tussen de stang en de as. Bij het printen wordt het beest op zijn zij gelegd zodat er minder ondersteunend materiaal gebruikt hoeft te worden dan wanneer het beest rechtop staat. Verder hoeft er geen ondersteunend materiaal in de scharnierpunten geprint te worden wat er waarschijnlijk moeilijk uit zou komen en op een ¼ mm nauwkeurig zou moeten gebeuren. Verder is door de printrichting in de stangen het geheel sterker. Groep 3.05A: 3D-printen 28 28

29 Berekeningen Het materiaal waar het ontwerp gemaakt mee gaat worden is ABS/PC. De keuze voor dit materiaal wordt onder het kopje materialen uitgelegd. De belangrijkste fysieke eigenschappen van ABS/PC voor ons ontwerp staan hieronder omschreven 15. ABS/PC (injection molding and extrusion) General properties Acrylonitrile Butadiene Styrene/Polycarbonate (Injection Molding and Extrusion) Density lb/in^3 Price USD/lb Mechanical properties Young's modulus ^6 psi Compressive modulus * ^6 psi Flexural modulus ^6 psi Shear modulus * ^6 psi Bulk modulus * ^6 psi Poisson's ratio * Shape factor 6.6 Yield strength (elastic limit) ksi Tensile strength ksi Compressive strength ksi Flexural strength (modulus of rupture) ksi Elongation % strain Groep 3.05A: 3D-printen 29 29

30 Het gewicht van het beest hebben wij uitgerekend met solidworks. Door het model materiaaleigenschappen te geven kun je het totale gewicht berekenen. Dit is in totaal gram Met de eigenschappen van het materiaal en het gewicht kunnen wij berekenen of het miniatuur de krachten kan weerstaan. Het meeste kracht moet het stokje c weerstaan (zie fig2 1 ) Naam lengte (mm) Aantal as 30 30,0 24 as 44 44,0 6 as 58 58,0 3 as ,0 2 a 78,1 4 b 46,5 12 c 55,0 12 d1 2 d2 2 e 66,9 9 f 54,0 12 g 70,7 6 h 41,7 12 i 44,4 12 j 45,1 12 k 44,3 9 l 60,8 6 voet1 30,0 3 voet2 30,0 3 assen 35 stangen 106 overige delen 10 totaal 151 Het minimum aantal poten waar het beest op staat is 2. Dit betekent dat op stok c het halve gewicht van het beest leunt. Dit is een axiale spanning omdat d ronddraait en dus op die manier tegen c aan drukt. 1 Opdracht Product in Beweging gemaakt door Omer Wullur Groep 3.05A: 3D-printen 30 30

31 Berekening van pootje c: Fax = in Pa F = het gewicht van het beest i n N gedeeld door 4 omdat het beest altijd op 2 poten zal staan en 1 poot bestaat uit 2 stangen. A = het oppervlakte van de doorsnede van een buisje r = de straal van het buisje > > de young's modulus van ABS/PC is 0,35*10^6 de kracht die het buisje moet weerstaan is 0.14*10^6 Dit zit zeer dichtbij de young's modulus van ABS/PC. 3D printen haalt ook niet de maximale kracht die het materiaal kan halen (80% van de originele sterkte). We hebben nog geen rekening hebben gehouden met oneigelijk gebruik. dit betekent dat wij ons ontwerp waarschijnlijk moeten aanpassen met de dikte van onze pootjes. Hier komt nog eens bij dat de krukas (d in fig2) nog meer kracht ondergaat, omdat hier het beest wordt aangedreven. Als we het product in productie gaan nemen zullen we de dikte van sommige poten moeten aanpassen. En bedenken wat oneigenlijk gebruik zou kunnen zijn. Groep 3.05A: 3D-printen 31 31

32 Materialen Uit het gedeelte over de productieprocessen is dit tabel gecreëerd. Hier staan alle voor- en nadelen ten opzicht van elkaar van de 4 processen gegeven. Techniek Voordelen SLA -Goed na te bewerken -Kan groot printen (Mammoet) -Kan snel (NextDay service) LS -Nesting (optimaal gebruik ruimte) -Voedselveilig materiaal -Hoge hittebestendigheid Nadelen -Relatief zwakke mechanische eigenschappen -Hittebestendigheid erg slecht -Model erg gevoelig voor UVlicht (behalve Nanotool en Next/Xtreme) -Langzamer proces -Transparant niet mogelijk -Zonder nabewerking relatief ruw FDM Polyjet -Funtioneel printen -Redelijke hittebestendigheid -Waterresistent -ABS kleur printen -Stabiel -Zeer dunne lagen -Snel -Relatief langzaam -Anisotrofie in z-richting -Transparant printen niet mogelijk -Zonder nabewerking relatief ruw -Niet geschikt voor cosmetisch nabewerken bij veel detail -Weinig beschikbare soorten materiaal -Niet mogelijk functioneel te printen met beschikbare materialen -Mogelijk 2K printen De keuze die wij moesten maken was vooral tussen de verschillende 3D print processen. De laagdikte en de materialen zijn erg afhankelijk van de print techniek. Stereolithografie viel eigenlijk gelijk al af omdat deze print techniek ondersteunend materiaal nodig heeft wat achteraf eraf geschuurd zou moeten worden. Ons ontwerp heeft tussen 2 verschillende onderdelen soms minder dan 1 mm afstand. Hierdoor is het niet mogelijk om het ondersteunende materiaal weg te schuren. De keuze lag dus vooral tussen Laser sintering en FDM. Laser sintering maakt gebruik van een bak met poeder waar een laser de poeder deeltjes aan elkaar smelt. Het voordeel van deze techniek is dat het poeder wat niet wordt gelaserd als ondersteuningsmateriaal fungeert. Het product wat uit de printer komt zit nog veel lucht tussen en is vrij bros. Het materiaal is ook niet egaal. Deze print techniek is dus niet geschikt voor ons ontwerp, omdat bij het miniatuur strandbeest schanieren zitten die zo weinig mogelijk wrijving moeten ondervinden. De keuze voor de print techniek lag dus bij FDM. Deze techniek heeft een strak oppervlak, afhankelijk van het materiaal kan het nog worden gelakt om oppervlakte af te werken. Het model wordt opgebouwd uit lagen en dit zorgt voor een grote homogeniteit. De dichtheid en materiaal zijn overal gelijk. De sterkte van het materiaal is ongeveer 80% van hetzelfde materiaal als het door middel van spuitgieten zou worden gemaakt. De keuze voor materialen die we met deze techniek hadden was ABS, PC,PC-ABS en PPSU. PC en PPSU hebben beide een hoge impact sterkte en kunnen daarom goed gebruikt worden voor testmodellen. PPSU kan tegen vuur en zuur is om die rede ook een stuk duurder dan de andere materialen. Bestandheid tegen vuur en zuur zijn eigenschappen die het miniatuur strandbeest niet nodig heeft, daarom is PC het beste materiaal hiervoor. PC-ABS is nog net iets sterker dan PC en niet veel duurder. Daarom hebben wij voor PC-ABS gekozen. Groep 3.05A: 3D-printen 32 32

33 Productiestappen Het hele ontwerp wordt rechtstreeks 3D geprint door middel van FDM. Dit betekent dat er geen assemblage naderhand aan te pas komt. Het grootste deel van de productie is dus het ontwerpen zelf. Tijdens het ontwerpen moet er wel rekening gehouden worden met de minimale wanddikte die het materiaal aankan, en de maximale grootte van het ontwerp zelf. Als het ontwerp klaar is moet het nog geschikt worden gemaakt voor FDM. Het ondersteuningsmateriaal, een soort wax, moet ook geïnstalleerd worden. Het printproces duurt 4 tot 5 dagen. Nadat het ontwerp uit de machine komt moet het steunmateriaal weggehaald worden. Dit materiaal is in water oplosbaar. Als dat eenmaal klaar is kan het nog gekleurd worden naar keuze. Vorm: waarom is het ontwerp het ontwerp De grootte gaat nauw samen met de prijs van het product. Daarom is gekozen voor de afmetingen van 200 bij 196 bij 132mm. De rest van de afmetingen zijn puur functioneel. De grootte van de staven zorgt ervoor dat het beest goed of niet goed loopt. Theo Jansen zelf maakt gebruik van 11 hoofdmaten voor de buizen die hij heeft. Dit noemt hij de magische getallen, deels door trial and error en deels door berekenen is hij op deze getallen gekomen. De kleur en afwerking zijn dure afwerkingen, daarom zit dat er niet bij. Het gaat vooral om de beweging die het beest maakt, en om te laten zien dat een 3D geprint product niet geassembleerd hoeft te worden. Herontwerp In het herontwerp gaan wij de dikte van de kritieke stangen aanpassen, hiervoor moeten wij het oneigenlijk gebruik nog gaan analyseren en berekenen. De krukas zal waarschijnlijk ook dikker worden omdat het dan ook beter tegen extremere krachten bestand is. In ons onderzoek naar 3D printen kwamen wij er ook achter dat je ook met RVS kan 3d printen. Dit materiaal is beter geschikt omdat RVS gladder is, dus zal er minder wrijving plaats vinden in de scharnieren. Verder is dit materiaal sterker en uit esthetisch oogpunt aantrekkelijker. Groep 3.05A: 3D-printen 33 33

34 Kostenmodel Personeelskosten Voor het invoeren van het CAD-model en het aanzetten van de printmachine is personeel nodig. Verder worden de machine dagelijks gecontroleerd of ze niet om een bepaalde reden zijn gestopt in hun proces. Tot slot moet het model uit de machine worden gehaald. Deze handelingen zullen niet lang te duren, waardoor de kostenpost van personeel op dit gebied is gering. Wel zal er dagelijks een technicus in het gebouw aanwezig zijn. Een technicus kost gemiddeld 23euro per uur 16 en werkt 8 uur per dag, 220 dagen in het jaar. Op jaarbasis verdient de technicus euro. Deze technicus is echter niet alleen op de FDM afdeling inzetbaar, maar door heel het bedrijf, waardoor er slechts een nodig is. Materialise heeft zes 3Dprint afdelingen, waardoor kan worden aangenomen dat de arbeidskosten voor FDM deelbaar door zes zijn. Naast een technicus is een productiemedewerker nodig om de modellen in een bad te leggen met corrosieve oplossing om het steunmateriaal op te lossen. Ons ontwerp heeft veel steunmateriaal nodig waardoor kan worden aangenomen dat een badsessie van 8 á 10 uur. Voordat de modellen worden opgestuurd, worden ze kort nagespoeld en gedroogd. Het naspoelen en drogen kost maximaal 5 minuten. Het aantal arbeidsuren zal totaal maximaal 5 minuten duren. Het verpakken van een model duurt waarschijnlijk 2 minuten. Voor verpakking verwachten we een kartonnen doos met een enkele laag bubbeltjesplastic om het model gewikkeld. De totale tijd die de productiemedewerker aan het product heeft besteed is hoogstens rond de 7 minuten. De productieafdeling van Materialise is erg klein is en alles op kleine loopafstand. De tijd die een medewerker nodig heeft om van de printer naar het bad en het droogrek te lopen is om die reden te verwaarlozen. Dit beschreven werk vraagt geen hoge opleiding. De productiemedewerker verdient ongeveer 11 euro per uur17. Als een medewerker 8 uur per dag, 220 dagen in het jaar werkt, dan kost dit Materialise ongeveer euro. Groep 3.05A: 3D-printen 34 34

35 Kosten van productiemedewerker per product: Persoon werkt voor 11 euro per uur en besteedt 7 minuten per uur aan een product. 11 euro/uur * 7/60 productieminuten/uur = 1,28 euro per product. Kosten van de technicus aanwezig bij de FDM afdeling: De doorlooptijd voor FDM is 4 a 5 dagen. Uitgaande van 4 dagen aanwezigheid van een technicus en uitgaande dat hij 1/6e deel van zijn aanwezigheid op de FDM afdeling is en dat hij 23 euro per uur betaald krijgt: 1/6 * 4 dagen * 8u * 23euro = euro per 4 dagen op de FDM afdeling. Het is wel zo handig, financieel gezien, om tegelijkertijd meerdere FDM producten aan het werk te zetten. Het is ons niet duidelijk hoeveel FDM printers Materialise in bezit heeft. Aan dit plaatje van een FDM hal is echter wel te zien dat dit er meer dan 6 zijn. Als eerst moet er gekeken worden naar het aantal modellen dat in één sessie kan worden geprint door een FDM printer. Het grondoppervlak van de FDM printplaat is 500x600 mm. We printen ons model op zijn kant. Hierbij bedraagt het grondoppervlak 196,7x132,3 mm om te produceren. Bij optimaal gebruik van de ruimte, dus afhankelijk van de oriëntatie, is het mogelijk 8 modellen te printen. Als er door 6 machines 8 modellen worden geprint, dan wordt het totaalaantal modellen 48. De kosten van de technicus per product bedraagt dus: euro : 48 modellen = 2,56 euro per model. Afschrijvingkosten Een FDM machine kost ongeveer dollar. Als deze machine het hele jaar door in gebruik is, wordt pond per jaar afgeschreven18. Deze machine print modellen die qua inhoud ongeveer 7 keer zo klein zijn als ons geprint model (model machine: 50,82 x 179,52 x 79,81, ons model: 169,7 x 132,3 x 200 ). Deze machine heeft in een jaar tijd 1320 modellen geprint. Per model is dat dus: 5000pond/1320 = 3,79 pond (=4,17 euro). Ons model is 7 keer zo groot, dus de afschrijving per product is: 4,17 euro x 7 = 29,29 euro afschrijvingskosten per product. Groep 3.05A: 3D-printen 35 35

36 Materiaalkosten Omdat er niet specifiek informatie beschikbaar is over de FDM-PC prijzen, is er gekeken naar vergelijkbaar FDM prijzen van een ander materiaal. Neem bijvoorbeeld ABS. Een bron uit worden deze prijzen gehanteerd: ABS Massa ABS 330 euro/kg kg Kosten ABS 36,13 euro Steunmateriaal Massa steunmateriaal 308 euro/kg 2x 0,109 kg Kosten steunmateriaal* Totale materiaal kosten 67,43 euro euro *= Materialise gebruikt software die automatisch berekend waar en hoeveel steunmateriaal er nodig is. Overige kosten: Bij SLA en LS moest rekening worden gehouden met een goed gecontroleerde omgeving. In het geval van SLA moest de lucht in de ruimte waar de machine stond goed geventileerd zijn en in geval van de LS moest er absoluut geen UV-straling in de productiekamer aanwezig zijn. Een FDM machine kan overal worden neergezet. Dit zorgt dus voor geen overige kosten voor het creëren voor een juist klimaat voor de omgeving van de machine. Bovenop de eerder beschreven personeelskosten komen ook administratieve kosten erbij. Het is echter moeilijk in te schatten hoeveel deze kosten bedragen. Elk bedrijf heeft namelijk zijn eigen business model en de administratie kosten kunnen per bedrijf erg verschillen. Tot slot zijn er de kosten van de verpakking. Wij schatten dat een kartonnen doos met bubbeltjesplastic ongeveer 0,50 euro is. Groep 3.05A: 3D-printen 36 36

37 Transportkosten Alle productie en bewerking vindt plaats in dezelfde vestiging. Transport zit niet bij de consumentenprijs inbegrepen en is dus afhankelijk van waar je woont en van de tarieven die worden gehanteerd door het postorderbedrijf. Doorlooptijd Materialise gaf aan dat het proces zelf 4 a 5 dagen duurt. Wij gaan ervan uit dat één sessie met 8 modellen 4 dagen duurt. Het product is namelijk niet hoog, dus daar wordt tijd bespaard. Het oplossen van het steunmateriaal tot een droog model duurt ongeveer 12 uur. Dus na 5 dagen is het model klaar. Totale kostenplaatje Personeelskosten: Productiemedewerker 1,28 Technicus 2,56 Afschrijvingskosten: Machine 29,29 Materiaalkosten: ABS 36,13 Steunmateriaal 67,43 Overig: Verpakking 0,50 Totaal*: 137,19 *= Deze kosten zijn exclusief transport en administratieve kosten. Groep 3.05A: 3D-printen 37 37

38 Terugblik ontwerp Het ontworpen concept is voortgekomen uit het productieproces, omdat we de grenzen van het proces wilden opzoeken, hebben we functie, vormvrijheid en constructie in een product willen vertegenwoordigen. Hierdoor is er een kunstobject uit gekomen in plaats van een gebruiksvoorwerp. Dit is ook te wijten aan het proces zelf, want het is niet zonder reden dat het rapid prototyping heet en de rapid manufacturing slechts een erg klein onderdeel is van het bedrijf. Bros materiaal dat niet erg stabiel is, maakt het moeilijk om als gebruiksvoorwerp te dienen. Zichtmodellen zijn een veel betere toepassing van het proces. Het concept is uiteindelijk minder haalbaar dan we vantevoren hadden gedacht. Kleine onderdelen en spelingen tussen draaiende onderdelen maken het onzeker of het echt kan gaan werken. Verder is het de vraag of iemand het product zou kopen, gezien we ons op een niche markt. Verder hebben we niet genoeg gebruik gemaakt van de vormvrijheid. Het product zou ook eigenlijk veel minder kunnen moeten bestaan uit rechte buizen en meer uit sierlijk gevormde onderdelen. Groep 3.05A: 3D-printen 38 38

39 6. Ontwerpregels en richtlijnen 1) De wereld van 3Dprinten is redelijk turbulent. 3Dprinten bestaat maar 11 jaar, maar de soorten processen, soorten materialen en toepassingen breiden snel uit. 3Dprinten krijgt steeds meer mogelijkheden. Het is dus wel zo handig om op de hoogte te zijn van wat er op het moment allemaal mogelijk is met 3Dprinten. Wellicht zijn deze ontwerpregels en richtlijnen over een jaar al gedateerd. 2) Deze techniek is niet bestemd voor grote seriegrootte, houd hier rekening mee. 3) Het is essentieel een product te printen die veel vormvrijheid, assemblage en/of mechanische onderdelen vergt. Zo niet, dan is het hoogstwaarschijnlijk een te duur proces om te 3Dprinten. 4) Denk goed na over alle voordelen en nadelen van de beschikbare processen. Stel een top3 op van de belangrijkste gewenste eigenschappen van het product en kies daarmee het juiste proces. Hou wel het aspect nabewerking in je achterhoofd (zie ook wel de volgende stap) 5) Nabewerking maakt de cyclustijd en de prijs van het product drastisch groter. Is nabewerking wel nodig voor je product? Het is ook mogelijk een 3Dprintproces te kiezen waar nabewerking niet nodig is. Groep 3.05A: 3D-printen 39 39

40 7. Conclusie We hebben moeite gehad met de keuze voor het product dat we gingen maken. Omdat we graag een mooie illustratie wilden maken van het productieproces, zijn we uitgekomen op een uiterste; een product dat een erg kleine markt heeft en dat beter is voor het bedrijf om te laten zien wat het kan. Het idee voor dit vak is het maken van een gebruiksvoorwerp, hier zijn we uiteindelijk van afgeweken omdat het daarvoor niet een zeer geschikt proces is. Na het bezoek aan Materialise zijn we van ons eerste concept afgeweken. We hebben bij Materialise dus geen productgeschikte vragen kunnen stellen. Bovendien hebben we ons toen nog niet kunnen focussen op één van de 4 3Dprinttechnieken. We hebben dus redelijk veel aannames moeten doen en veel moeten zoeken in artikelen, boeken en internet. Als we vanaf het eerste moment al het huidige concept in gedachten hadden gehad, zou het ons veel tijd kunnen besparen. Groep 3.05A: 3D-printen 40 40

41 8. Appendix A: Materiaaleigenschappen Groep 3.05A: 3D-printen 41 41

42 Groep 3.05A: 3D-printen 42 42

43 Groep 3.05A: 3D-printen 43 43

44 Groep 3.05A: 3D-printen 44 44

45 Groep 3.05A: 3D-printen 45 45

46 Groep 3.05A: 3D-printen 46 46

47 Groep 3.05A: 3D-printen 47 47