Sculpman belooft paradigma-verschuiving voor FFF-printtechnologie
Extrusie (material extrusion), of fused filament fabrication (FFF), is een van de meest voorkomende vormen van 3D-printen, waarbij een verwarmde printkop (nozzle) een laag gesmolten filament op een bepaald ontwerppad print, waar het op zijn beurt afkoelt en uithardt. Dit proces herhaalt zich laag na laag totdat het object is gevormd. Echter sinds het ontstaan, meer dan twee decennia geleden, is FFF-printen blijven steken in het gebruik van cirkelvormige nozzles met vaste grootte. Kleine ronde nozzles zijn traag voor het printen van grote objecten, en grotere nozzles leiden tot verlies van detail en geometrische nauwkeurigheid. Het Belgische start-up bedrijf en Flam3D-lid Sculpman besloot dat het tijd was om het printproces fundamenteel te versnellen en verbeteren. De afgelopen twee jaar heeft het bedrijf gestaag gewerkt aan de ontwikkeling van een technologie met continu verstelbare nozzles, die het mogelijk maakt om sterke, full-sized en gedetailleerde objecten te vervaardigen in een kwestie van minuten in plaats van uren of zelfs dagen.
Een nieuwe oplossing voor oude problemen
Sculpman’s gepatenteerde “Variable Nozzle Technology” is een innovatieve benadering om het 3D-printen via polymeerextrusie te versnellen en te verbeteren zonder in te boeten aan detail of visuele kwaliteit. Het meest fundamentele idee was om te breken met de cirkelvormige nozzle-vorm die al decennia lang de de-facto standaard is bij FFF-printen.
In de afgelopen jaren is gebleken dat FFF-printen betaalbaar, betrouwbaar en nauwkeurig is en bovendien in staat is om robuuste onderdelen te produceren. Om die reden gebruiken productie-, ontwerp- en onderwijsorganisaties over de hele wereld het onder andere om innovatie te stimuleren. Dankzij de grote beschikbaarheid van verschillende printmaterialen, zoals technische en hoogwaardige thermoplasten of vezelversterkte composieten, wordt de technologie gebruikt voor het maken van gedetailleerde functionele prototypes, duurzame productiemiddelen en complexe eindproducten in kleinere volumes.
Desalniettemin is de ronde uitvoervorm die cilindrische “spaghettisporen” produceert niet echt een optimale configuratie om efficiënt zuivere lagen te printen. De inherente problemen met de laaghechting van FFF in functionele en visuele toepassingen zijn al uitvoerig bediscussieerd en onderzocht, en de huidige gebruikers van de technologie zijn wellicht al op de hoogte van de uitdagingen.
“Cilindrische banen die horizontaal naast elkaar worden geplaatst, vormen een weefpatroon. Zelfs als deze licht platgedrukt worden door de nozzle, blijft het vlak waar beide tracks elkaar raken nog steeds klein omdat de dwarsdoorsnede van elke track elliptisch is en alleen het midden van de zijden elkaar raken,” onthult Gerolf Vanacker, mede-oprichter van Sculpman. De Sculpman nozzles daarentegen leggen in één enkele beweging linten van verschillende breedte neer die een coherente, vlakke track kunnen vormen van meerdere millimeters breed. Dit verbetert niet alleen de homogeniteit van de lagen en de kwaliteit van de stukken, maar versnelt ook het printproces; een andere hindernis die de invoering van FFF-printen lange tijd heeft afgeremd.
Traploze nozzle-opening
De oplossing van Sculpman is gebaseerd op het regelen van een continu variabele slagbreedte tijdens de extrusie. “Als je erover nadenkt, is het vergelijkbaar met het schilderen van een schilderij”, legt Gerolf uit. “Als je veel detail nodig hebt, is een klein penseel de betere keuze. Maar als er grotere vlakken moeten worden ingekleurd, kun je beter een brede kwast gebruiken.”
De Sculpman nozzle kan voortdurend wisselen tussen dat kleine penseelformaat en de grote borstel. Bovendien kan de nozzle ook volledig sluiten om de materiaalstroom af te snijden. “We bieden dit systeem momenteel aan in een configuratie met een opening van 0 tot 10 mm en een doorsnede van 0,5 mm, met een build rate van 500 cm3 per uur. De doorsnede beperkt de mogelijke laaghoogtes die je kunt gebruiken. Doorgaans kan men gaan tot 1/5de van de doorsnede en tot bijna 100% daarvan,” legt Vanacker uit. Er wordt momenteel gewerkt aan grotere doorsneden voor dikkere lagen en hogere build rates in grootschalige toepassingen.
Een belangrijk onderdeel in de ontwikkeling van het Sculpman-systeem is de slicing- en planningssoftware. Een continu variërende slagbreedte creëert vele mogelijkheden voor het invullen van een laag. Hoe kies je de optimale extrusiebanen? “Dat is een behoorlijke uitdaging geweest,” zegt Matthias Mertens, hoofd softwareontwikkelaar bij Sculpman, “maar door ontelbare uren onderzoek, strategievorming en zorgvuldige optimalisatie zijn we erin geslaagd om dat probleem heel goed op te lossen.”
De huidige nozzle wordt gebruikt met een filament-gebaseerd toevoersysteem dat standaard 2.85mm filament gebruikt en kan besteld worden met of zonder extrusion drive subassembly, alsook in een Bowden configuratie. Een alternatief systeem voor FGF-printers (Fused Granulate Fabrication) die gebruik maken van pellets is eveneens in actieve ontwikkeling.
Het doel van het bedrijf is specifiek op te treden als leverancier voor de Additive Manufacturing-industrie en zich niet direct op de eindgebruikersmarkt te richten. ” Het komt erop neer dat we open staan voor bedrijven die onze technologie willen uitproberen en integreren in hun systemen”, besluit Vanacker. Sculpman zal aanwezig zijn op Formnext 2021 (van 16 november tot 19 november) in hal 11.0, stand D11. Aangezien verschillende bedrijven al interesse hebben getoond in de technologie van Sculpman, zal het misschien niet lang meer duren voordat we een grote sprong voorwaarts kunnen maken met een printtechnologie die lange tijd weinig echte innovatie heeft gekend?
