ABS opent de weg naar 3D printen tooling voor de CNC- en robotindustrie
Met echt ABS 3D printen is nog steeds een uitdaging voor de meeste desktop 3D printers, tenzij je investeert in industriële 3D printers. De meeste deskstopprinters werken met gesimuleerde ABS-materialen. Dave Veisz, Vice President Engineering bij MakerBot, gaat in dit artikel in op de vraag of recente ontwikkelingen de kloof tussen desktop en industriele 3D printers kunnen overbruggen.
Als je ooit de pech hebt gehad om op een Lego-blokje te stappen, dan weet je hoe ongelofelijk pijnlijk – en niet te vergeten onverwoestbaar – deze kleine ‘bakstenen’ kunnen zijn. De combinatie van duurzaamheid en treksterkte, om nog maar te zwijgen van de glanzende afwerking, is te danken aan het gebruik van ABS, een thermoplastisch polymeer dat wijd en zijd de voorkeur geniet voor spuitgegoten consumptiegoederen. Naast de treksterkte biedt ABS materiaaleigenschappen zoals de hoge temperatuurbestendigheid, de recycleerbaarheid, de hoge chemische bestendigheid en de lage elektrische geleidbaarheid.
De uitdaging van ABS
Terwijl technisch hoogwaardig ABS gemeengoed is geworden voor de high-end 3D-printers, hebben fabrikanten van desktopsprinters lang geworsteld om deze onderdelen te printen met een mate van betrouwbaarheid en herhaalbaarheid die een industriële ontwerper of ingenieur verwacht. Het probleem heeft alles te maken met de hoge temperatuurbestendigheid en het smeltpunt van ABS. Bij afkoelen leidt dit tot delaminatie. Dat leidt weer tot een ernstige verzwakking van de structuur van het onderdeel en uiteindelijk tot kromtrekken en scheuren. Precies dat wat men wil vermijden door voor ABS te kiezen, gebeurt. Als het werkstuk snel wordt afgekoeld door afschrikken, kan het ook onderhevig zijn aan krimp. Daarom werken de desktop 3D printers die voor ABS geschikt zijn met een gecontroleerd koelproces en wordt een gesloten kamer ten zeerste aanbevolen. Hoe groter het onderdeel, hoe groter de kans dat er krimp optreedt, met een kromgetrokken of ‘taco’-vormig resultaat.
Aangepaste formulering heeft een prijs
Sommigen toepassingen kunnen volstaan met PLA. De lagere printtemperatuur (190-230 graden versus 210-250 graden C voor ABS) verkleint het risico op kromtrekken. De keerzijde is een groot verlies aan treksterkte. Wie ABS kwaliteit nodig heeft, kan uit twee fundamentele strategieën kiezen: het materiaal aanpassen of de 3D-printer. Op internet vind je een scala aan gemodificeerde ABS-materialen, van thermochroom en doorschijnend, tot vlamvertragend en zelfs lichtgevend (gloed in het donker). Deze chemische aanpassingen geven de ingenieurs de vrijheid om de ideale formule te kiezen voor hun specifiek gebruik. Deze gewijzigde formules hebben doorgaans echter een prijs. ABS dat ‘geoptimaliseerd is voor 3D printen vormt hierop geen uitzondering. Hoewel het chemisch wijzigen van ABS de hittebestendigheid kan versterken – hetzij door het toevoegen van een additief, hetzij door het verhogen van de verhouding van polybutadieen (de B in ABS) – moet dit worden afgewogen tegen enkele nadelen: lagere hitte vormbestendigheid, verminderde E-modulus en een lagere treksterkte. Dit kan resulteren in een inferieur product dat totaal ongeschikt is voor de vele hoogwaardige toepassingen waarvoor ABS wordt gebruikt, zoals de productie van auto- en ruimtevaartonderdelen.
In plaats van simpelweg het platform te verwarmen, recirculeren we de lucht aan beide kanten van de gesloten bouwkamer. Dit zorgt voor een superieure temperatuurcontrole omdat elke laag in dezelfde warmteomstandigheden wordt geprintt zonder dat er met de printerinstellingen hoeft te worden ‘geknutseld’
Manipuleren van de 3D printer
Als het wijzigen van het materiaal niet het gewenste effect heeft, dan is de logische stap het manipuleren van de 3D printer zelf. Bij veel desktop 3D printers kun je de temperatuur van de het printplatform regelen. Hiermee wordt een deel van de warmte naar de onderkant van het werkstuk gebracht. Daarmee reduceer het het risico op delaminatie. MakerBot heeft bij de vroegere generatie 3D printers ook voor deze oplossing gekozen. Het effect is echter beperkt. Met deze techniek is het niet mogelijk om de temperatuur van alle lagen van een onderdeel tegelijkertijd te controleren, waardoor het kwetsbaar wordt voor kromtrekken en scheuren. Toen we het recente METHOD-platform ontwierpen, hebben we daarom besloten om de temperatuur van het printvlak te regelen, niet alleen het printplatform. In plaats van simpelweg het platform te verwarmen, recirculeren we de lucht aan beide kanten van de gesloten bouwkamer. Aan beide zijden wordt de lucht naar boven getrokken. Dit zorgt voor een superieure temperatuurcontrole omdat elke laag in dezelfde warmte-omstandigheden wordt geprint zonder dat er met de printerinstellingen hoeft te worden ‘geknutseld’. Deze technologie is ontworpen zodat ingenieurs maatnauwkeurige onderdelen van een productie-grade ABS kwaliteit kunnen printen, tegen een aanzienlijk lagere prijs dan de traditionele productie. Zelfs met een nieuwe aanpak, zijn er nog steeds uitdagingen. Aangezien de extruder zich in een warmere omgeving bevindt, bestaat er een risico op uitzetting.
Waarom is ABS zo belangrijk?
Je kunt je afvragen als er een fundamenteel thermisch probleem is met het gebruik van ABS op een desktop 3D-printer, waarom zijn we dan zo vastbesloten om dit aan te pakken? Het antwoord ligt in onze visie op de toekomstige maakindustrie, namelijk die van een gedecentraliseerd, on-demand productiemodel, gestuurd door additive manufacturing. Spuitgegoten ABS zal nog vele jaren de beste keuze blijven voor massaproductie vanwege de snelheid en de lage kosten. Maar wanneer het benodigde volume in de tientallen, honderden of zelfs duizenden stuks loopt, of wanneer customized onderdelen nodig zijn, heeft additieve manufacturing echt de voorkeur. De traditionele kosten-batenanalyse, gebruikelijk bij het produceren van een gereedschap, prototype of eindonderdeel, raakt verstoord. Ontwerpen kunnen sneller worden getest en geïtereerd, waardoor innovatie en time-to-market versnellen, en dat alles tegen veel lagere kosten dan bij traditionele methoden. De mogelijkheid om engineering-grade ABS te gebruiken op meer dan alleen traditionele 3D-printers brengt de voordelen van additive manufacturing binnen handbereik van een veel breder publiek. Daarom betekent de METHOD X 3D-printer een stapsgewijze verandering voor industrieel 3D printen. Door voor het eerst echte ABS aan te bieden op een meer toegankelijke 3D-printer, krijgt de ontwerper of ingenieur toegang tot ABS op engineeringniveau voor nauwkeurigere en functionelere prototypes, maar ook voor robuustere en betrouwbaardere productieonderdelen.Â
Binnen enkele uren onderdelen klaar
De toepassing bij het Texaanse All Axis Robotics is een goed voorbeeld van wat mogelijk is. Om de grijpers van de robots die het configureert voor machinefabrieken aan te passen aan de werkvloer, moest het bedrijf een op maat gemaakte ABS-slijpgereedschap produceren. Met behulp van METHOD X was het team in staat om dit onderdeel binnen enkele uren te 3D printen in een zeer sterk en duurzaam ABS-materiaal. Hiermee bespaarde All Axis Robotics de hoge kosten en lange doorlooptijden die gebruikelijk zijn bij uitbesteden bij een externe partij. Het belang van ABS in de productie is nooit eerder zo groot geweest als vandaag. Daarom is het belangrijk de toepassing van additive manufacturing te uit te breiden naar de bredere maakindustrie. Hoewel duurdere, grote industriële 3D printers nog steeds een belangrijk gereedschap zijn om aan bepaalde industriële eisen voor ABS te voldoen, lijdt het geen twijfel dat een toename van het aantal beter toegankelijke 3D-printers die echte technisch hoogwaardige ABS bieden, een veelheid aan mogelijkheden kan bieden aan een veel groter publiek van technici.
Dave Veisz, VP Engineering Makerbot
