Πώς λειτουργεί η 3D εκτύπωση;

Μία μέθοδος παραγωγής πρόσθετων είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση. Είναι "προσθετικό" καθώς απλώς στοιβάζει και συντήκει στρώματα υλικού για να δημιουργήσει πραγματικά αντικείμενα αντί να χρειάζεται ένα μπλοκ υλικού ή ένα καλούπι. Μπορεί να δημιουργήσει πιο περίπλοκες γεωμετρίες από τις «συμβατικές» τεχνολογίες, είναι συχνά γρήγορο, έχει φθηνό σταθερό κόστος εγκατάστασης και λειτουργεί με μια συνεχώς αυξανόμενη γκάμα υλικών. Ο τομέας της μηχανικής το χρησιμοποιεί ουσιαστικά, ειδικά όταν δημιουργεί πρωτότυπα και αναπτύσσει γεωμετρίες ελαφρού βάρους.

Κατασκευή πρόσθετων και τρισδιάστατη εκτύπωση

Ο όρος "3D printing" συνδέεται συχνά με την κουλτούρα των κατασκευαστών, τους ερασιτέχνες και τους λάτρεις, τους επιτραπέζιους εκτυπωτές, τις προσβάσιμες τεχνικές εκτύπωσης όπως το FDM και τα φθηνά υλικά όπως το ABS και το PLA. Αυτό οφείλεται εν μέρει στους οικονομικούς επιτραπέζιους εκτυπωτές που προέκυψαν από το κίνημα RepRap, όπως το αρχικό MakerBot και το Ultimaker, που συνέβαλαν στον εκδημοκρατισμό της 3D εκτύπωσης και στην έκρηξη της τρισδιάστατης εκτύπωσης το 2009.

Τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης: Το μέλλον της καινοτόμου παραγωγής

3Dεκτύπωσηιστορία

Τα προϊόντα ιδέας της τρισδιάστατης εκτύπωσης ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1970. Το 1981, ο Ιάπωνας επιστήμονας Dr. Kodama, ο οποίος ήταν ο πρώτος που περιέγραψε τη μέθοδο κατασκευής εκτύπωσης στρώσης προς στρώμα, δοκίμασε την εκτύπωση 3D και δημιούργησε προσωπικά τη φωτοευαίσθητη ρητίνη τεχνολογίας εκτύπωσης SLA (στερεολιθογραφία) πολυμερισμένη από υπεριώδες φως.

Λίγα χρόνια αργότερα, ο Αμερικανός επιστήμονας Τσαρλς Χαλ διεξήγαγε επίσης σε βάθος έρευνα για την τεχνολογία του SLA και υπέβαλε το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του SLA το 1986. Ίδρυσε την 3D Systems και κυκλοφόρησε το πρώτο της εμπορικό προϊόν, το SLA-1, το 1988. (εικόνα παρακάτω)

Το SLA μπορεί να ειπωθεί ότι είναι η παλαιότερη τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης που αναπτύχθηκε, οπότε πότε έγινε αργότερα το SLS (Selective Laser Sintering) και το FDM (Fused Deposition Modeling)

Το 1988, ο Αμερικανός Carl Deckard κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την τεχνολογία SLS στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, η οποία είναι μια άλλη τεχνική τρισδιάστατης εκτύπωσης στην οποία ένα λέιζερ συγχωνεύει τοπικά σωματίδια σκόνης για να εκτυπώσει. Την ίδια χρονιά, ο Scott Crump, ένας από τους ιδρυτές της Stratasys, υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μοντελοποίηση λιωμένης εναπόθεσης (FDM). Από το 1980 έως το 1990, οι τρεις κύριες τεχνολογίες της τρισδιάστατης εκτύπωσης κατοχυρώθηκαν όλες με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, σηματοδοτώντας την αρχή μιας περιόδου ταχείας ανάπτυξης σε αυτόν τον κλάδο. .

Στην Ευρώπη, η EOS GmbH δημιούργησε ένα σύστημα σχεδίασης για τρισδιάστατη εκτύπωση: το σύστημα Stereos". Σήμερα, τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα μοντέλα της στον βιομηχανικό τομέα χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης SLS (Selective Laser Sintering) για πλαστικά και μέταλλα που αναγνωρίζονται σε.

Το 1992, η πατέντα τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης FDM (Fused Deposition Modeling) εγκρίθηκε από την Stratasys, η οποία ανέπτυξε τρισδιάστατους εκτυπωτές για να καλύψει τις διαφορετικές ανάγκες πολλών επαγγελματιών και ατόμων.

Από το 1993 έως το 1999, διάφορες τεχνολογίες εμφανίστηκαν στον κλάδο της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ταυτόχρονα, όλο και περισσότερο νέο λογισμικό CAD και λογισμικό τρισδιάστατης μοντελοποίησης αναπτύχθηκαν, για παράδειγμα, το Sanders Prototype (τώρα ονομάζεται Solidscape) που ήταν ένας από τους πρώτους συμμετέχοντες που δημιουργήθηκε.

Εφαρμογές τρισδιάστατης εκτύπωσης πολλαπλών πεδίων

Το 2008, κυκλοφόρησε το πρώτο τρισδιάστατο προσθετικό, το οποίο αύξησε περαιτέρω το μερίδιο της τρισδιάστατης εκτύπωσης στα μέσα. Οι άνθρωποι ανακάλυψαν ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση δεν μπορεί μόνο να εκτυπώσει παραδοσιακά μέρη αλλά και να εφαρμοστεί στην επισκευή του ανθρώπινου σώματος. Αυτό το εκπληκτικό έργο ιατρικής τρισδιάστατης εκτύπωσης συνδυάζει όλα τα μέρη ενός βιολογικού μέλους και μπορεί να εκτυπωθεί «ως έχει» χωρίς καμία μεταγενέστερη συναρμολόγηση. Σήμερα, σε συνδυασμό με την τρισδιάστατη σάρωση, οι τρισδιάστατες εκτυπωμένες ιατρικές προθέσεις και τα ορθωτικά γίνονται φθηνότερα και ταχύτερα για να καλύψουν τις ανάγκες των ασθενών. Επιπλέον, αυτές οι προθέσεις βελτιστοποιούνται όλο και περισσότερο και προσαρμόζονται στη μορφολογία του ασθενούς. Η τρισδιάστατη εκτύπωση φέρνει νέες ευκαιρίες για μαζική εξατομίκευση. (προσθήκη εικόνας)

Το 2009 ήταν η χρονιά που τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας FDM εισήλθαν στο πεδίο της μαζικής κατανάλωσης, γεγονός που άνοιξε έναν νέο δρόμο για εκτεταμένη καινοτομία των εκτυπωτών FDM 3D. Καθώς η τιμή των επιτραπέζιων εκτυπωτών 3D μειώθηκε, όλο και περισσότεροι άνθρωποι μπορούσαν να δώσουν προσοχή στην ανάπτυξη της βιομηχανίας της τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Το 2013, ο πρόεδρος των ΗΠΑ Μπαράκ Ομπάμα ανέφερε την τρισδιάστατη εκτύπωση στην ομιλία του για την κατάσταση της Ένωσης ως τον κύριο τρόπο παραγωγής του μέλλοντος, καθιστώντας την «3D εκτύπωση» απόλυτο τσιτάτο. Τώρα, η θέση του στο κοινό είναι πολύ περίοπτη. Όλο και περισσότερες μικρές και μεσαίες εταιρείες εκμεταλλεύονται τη χαμηλού κόστους πρωτοτυποποίηση που παρέχει η τρισδιάστατη εκτύπωση, ενσωματώνοντάς την πλήρως στις διαδικασίες επανάληψης, καινοτομίας και παραγωγής τους.

τρισδιάστατη εκτύπωση πρωτότυπου αυτοκινήτου

Όσον αφορά τις κατασκευαστικές εφαρμογές, τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα σπίτια είναι πλέον πραγματικότητα. Οι άνθρωποι μετακόμισαν σε τρισδιάστατα εκτυπωμένα σπίτια για πρώτη φορά το 2018. Το σπίτι έχει έκταση 1022 τετραγωνικών ποδιών, η οποία είναι πολύ κατοικήσιμη. Χρειάστηκαν συνολικά δύο ημέρες για την εκτύπωση.

Το σύστημα ταξινόμησης της τρισδιάστατης εκτύπωσης σχετικά με τις ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ της κατασκευής και της τρισδιάστατης εκτύπωσης

Πάρτε για παράδειγμα την κουφωμένη μπάλα. Υπάρχουν περισσότερα από δώδεκα λουλούδια στην επιφάνεια. Εάν υποβληθεί σε επεξεργασία με παραδοσιακή μηχανική κατεργασία, θα είναι πολύ ενοχλητικό και τα σχέδια πρέπει να τροποποιηθούν ένα προς ένα. Και αν επιλέξετε τρισδιάστατη εκτύπωση, δεν υπάρχει σπατάλη υλικού, επομένως έχει επίσης ένα όνομα που ονομάζεται πρόσθετη κατασκευή, που σημαίνει ότι η μέθοδος της σταδιακής συσσώρευσης υλικών χρησιμοποιείται για την κατασκευή φυσικών εξαρτημάτων. Η παραδοσιακή μέθοδος είναι να φτιάξετε πρώτα το έμβρυο, μετά να αφαιρέσετε το περίσσιο υλικό και το υπόλοιπο υλικό να έχει το απαιτούμενο σχήμα. Εάν εντοπιστεί πρόβλημα, είναι απαραίτητο να ανοίξετε ένα καλούπι και να το τροποποιήσετε. ενώ η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιεί σιγά σιγά συσσώρευση υλικού, μπορείτε να δείτε γρήγορα το τελικό προϊόν.

Πραγματοποίηση τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης

Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης εφαρμόζεται στη βιομηχανική παραγωγή. Αυτό που χρειάζεται να χρησιμοποιήσει η τρισδιάστατη εκτύπωση δεν είναι το φυσικό αντικείμενο, αλλά το ψηφιακό μοντέλο. Εάν θέλετε να εκτυπώσετε 3D το πραγματικό αντικείμενο που έχετε μπροστά σας, τότε πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν υπολογιστή για να το μοντελοποιήσετε ή να χρησιμοποιήσετε έναν σαρωτή 3D για να ψηφιοποιήσετε το πραγματικό αντικείμενο, δηλαδή ένα τρισδιάστατο μοντέλο, και μπορείτε να εκτυπώσετε πράγματα σε μόλις δεκαπέντε λεπτά. Επί του παρόντος, η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης χωρίζεται σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: FDM, DLP/SLA και SLS

SLS-- διαδικασία χύτευσης με λέιζερ

Το SLS είναι μια σκόνη σχετικά υψηλής τεχνολογίας που λιώνει υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας ακτινοβολίας λέιζερ. Απλώστε ένα στρώμα λεπτής σκόνης στον πάγκο εργασίας και σαρώστε τη διατομή του στρώματος με τη δέσμη λέιζερ για να αυξήσετε τη θερμοκρασία στο σημείο τήξης, έτσι ώστε να πραγματοποιήσετε πυροσυσσωμάτωση και συγκόλληση, επαναλάβετε την εξάπλωση της σκόνης, τη σύντηξη, τη λείανση και το στέγνωμα μέχρι να σχηματιστεί το μοντέλο. Στην πραγματικότητα, η 3D εκτύπωση είναι 2D εκτύπωση ξανά και ξανά. Αν κόψετε ένα αντικείμενο πολύ λεπτές, θα διαπιστώσετε ότι κάθε κομμάτι έχει ένα σχήμα. Αν συνδυάσετε όλα τα σχήματα, θα έχετε ένα αντικείμενο τρισδιάστατης δομής. Χρησιμοποιούμε λοιπόν λέιζερ για να σχεδιάσουμε γραφικά. Η αντίσταση των χυτευμένων εξαρτημάτων SLS στο περιβάλλον (θερμοκρασία, υγρασία και χημική διάβρωση) είναι παρόμοια με αυτή των θερμοπλαστικών υλικών. ενώ η αντίσταση των χυτευμένων εξαρτημάτων SLA είναι σχετικά κακή, για παράδειγμα, τα τεμάχια εργασίας SLA που είναι χυτευμένα με εποξική ρητίνη είναι ευαίσθητα στην υγρασία και τις χημικές ουσίες. Η διάβρωση, θα μαλακώσει και θα παραμορφωθεί σε περιβάλλον άνω των 38°C, αλλά η ακρίβεια διαμόρφωσης είναι υψηλή.

Διαδικασία χύτευσης SLA --στερεολιθογραφίας

Το SLA είναι μια τεχνολογία φωτοπολυμερισμού, η οποία έχει αναπτυχθεί σχετικά στην Κίνα επί του παρόντος. "Στερεολιθογραφία" είναι όταν η δέσμη λέιζερ σκιαγραφεί το σχήμα του πρώτου στρώματος του αντικειμένου στην επιφάνεια της υγρής ρητίνης και, στη συνέχεια, η πλατφόρμα παραγωγής χαμηλώνει κατά μια ορισμένη απόσταση (μεταξύ 0,05-0,025 mm) και στη συνέχεια το στερεοποιημένο στρώμα βυθίζεται στην υγρή ρητίνη και ούτω καθεξής. Η ρητίνη που χρησιμοποιείται είναι μια φωτοευαίσθητη ρητίνη, η οποία θα σχηματίσει μια στερεή κατάσταση αφού ακτινοβοληθεί από τη δέσμη λέιζερ και το μοντέλο διαμόρφωσης είναι γρήγορο και ακριβές.

DLP-- διαδικασία χύτευσης στερεολιθογραφίας

Ψηφιακή επεξεργασία φωτός DLP, γνωστή ως τεχνολογία διαμόρφωσης λέιζερ. Η τεχνολογία 3D εκτύπωσης DLP έχει πολλές ομοιότητες με την τεχνολογία εκτύπωσης 3D SLA. Εάν η παραγωγή παρομοιάζεται με τη σχεδίαση ενός κύκλου με μολύβι, τότε η τεχνολογία SLA ισοδυναμεί με τη σχεδίαση στρώμα-στρώμα, ενώ το DLP ισοδυναμεί με απευθείας σφράγιση. Η μαζική παραγωγή που επιδιώκουμε έχει δύο πολύ σημαντικά σημεία, το ένα είναι η αποδοτικότητα και το άλλο το κόστος υλικών. Υπάρχει ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής που μπορεί να εκτυπώσει εκατοντάδες φορές πιο γρήγορα από την παραδοσιακή κατασκευή, δηλαδή την τεχνολογία πρόσωπο με πρόσωπο, η οποία έχει αναπτυχθεί από μια εταιρεία στο Shenzhen, Light Prism Technology. Χρειάζονται 2-5 ώρες για να εκτυπώσετε μια κούφια μπάλα με την παραδοσιακή εκτύπωση 3D FDM και μια ώρα το ταχύτερο, αλλά χρειάζονται μόνο περίπου 10 λεπτά για να εκτυπώσετε με την πιο πρόσφατη τεχνολογία πρόσωπο με πρόσωπο. Η ταχύτητα εκτύπωσης είναι εκπληκτική. Μόλις κυκλοφορήσει αυτή η τρισδιάστατη εκτύπωση, ο αντίκτυπος στις παραδοσιακές χειροτεχνίες εξακολουθεί να είναι μεγάλος.

FDM -- Διαδικασία χύτευσης με εναπόθεση

Σε σύγκριση με τις τεχνολογίες DLP και SLS, η τεχνολογία FDM είναι σχετικά απλή, επομένως έχει μεγάλο κοινό και είναι πιο εύκολο να μπει στην οικογένεια. Το πρωτότυπο κατασκευάζεται απευθείας από τα δεδομένα 3D CAD χρησιμοποιώντας το θερμοπλαστικό υλικό που πρόκειται να εξωθηθεί σε ένα ημι-τηγμένο νήμα, το οποίο εναποτίθεται σε βάση στρώμα προς στρώμα. Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας FDM είναι η απλή μηχανική δομή, ο εύκολος σχεδιασμός, το χαμηλό κόστος κατασκευής, το κόστος συντήρησης και το κόστος υλικών και η μη ρύπανση του περιβάλλοντος. Επομένως, η FDM είναι επίσης η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία σε οικιακούς επιτραπέζιους εκτυπωτές 3D. Είναι μια σχετικά παραδοσιακή μέθοδος εκτύπωσης, η οποία δεν χρησιμοποιεί λέιζερ και έχει χαμηλό κόστος, αλλά η ακρίβεια δεν είναι υψηλή και η ταχύτητα εκτύπωσης είναι πολύ αργή. Αυτή είναι η πιο προσιτή μέθοδος για όλους και χρησιμοποιείται γενικά στην αγορά της εκπαίδευσης.

Ο αντίκτυπος της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην κατασκευή και την παραδοσιακή χειροτεχνία

Πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης

(1) Προσαρμογή

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την οδοντιατρική, τα δόντια του καθενός είναι διαφορετικά, αλλά η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να λύσει την αντίφαση μεταξύ της προσαρμοσμένης παραγωγής και της μαζικής παραγωγής, και η μαζική παραγωγή εξατομικευμένων εμφυτευμάτων, νάρθηκες κ.λπ.

(2) δείγμα σε πραγματικό χρόνο

Λόγω της γρήγορης ταχύτητας της τρισδιάστατης εκτύπωσης, ο σχεδιαστής σχεδιάζει μια έκδοση του προϊόντος το πρωί και ο ηγέτης μπορεί να δει το τελικό προϊόν το μεσημέρι και στη συνέχεια σχεδιάζει μια άλλη έκδοση στις 6 μ.μ. και μπορεί να δει το τελικό προϊόν το επόμενο πρωί, γεγονός που επιταχύνει σημαντικά την ταχύτητα ανάπτυξης νέων προϊόντων. Εάν δεν είναι ιδιαίτερα περίπλοκο, η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να παράγει τελικά προϊόντα σε 3 ώρες, ενώ η παραδοσιακή μόνωση διαρκεί 4-6 εβδομάδες κάθε φορά, επομένως βελτιώνεται και η συνολική ταχύτητα του βιομηχανικού σχεδιασμού.

(3) Χωρίς ρύπανση

 Δεδομένου ότι οι πρώτες ύλες που παράγονται είναι όλες φιλικές προς το περιβάλλον, η όλη διαδικασία παραγωγής είναι παραγωγή χωρίς ρύπανση. Δεν υπάρχει ρύπανση από καυσαέρια και λύματα, ούτε σπατάλη υπολειμμάτων υλικών.

(4) Δεδομένα

Όταν η ψηφιακή οδοντιατρική ωριμάσει, οι τεχνικές απαιτήσεις για τους γιατρούς θα μειωθούν σημαντικά. Οι ασθενείς χρειάζεται μόνο να χρησιμοποιήσουν το όργανο για σάρωση για δύο λεπτά στο νοσοκομείο και μπορούν να γνωρίζουν τις αιτίες και τις λύσεις όλων των οδοντικών προβλημάτων.

Επιπλέον, η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για ορθοδοντική, εκτύπωση εξατομικευμένων και προσαρμοσμένων διαφανών νάρθηκες. Κατά τη διάρκεια της πλαστικής χειρουργικής, τα δόντια πρέπει να κινούνται προς τα αριστερά ή προς τα εμπρός; Πόσα χιλιοστά να κινηθεί; Στο παρελθόν, η οδοντιατρική χειρουργική βασιζόταν αποκλειστικά στην προσωπική εμπειρία του γιατρού, αλλά η ψηφιακή οδοντιατρική αύξησε τη σταθερότητα της επέμβασης και μείωσε το τεχνικό όριο για τους γιατρούς.

(5) Γρήγορα

 Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές βιομηχανικές διαδικασίες, η τρισδιάστατη εκτύπωση δεν απαιτεί προκαταρκτικές προετοιμασίες, όπως ανθρώπινο δυναμικό και μεταφορά. Χρειάζεται μόνο μηχανήματα και πρώτες ύλες και μπορεί να τεθεί γρήγορα στην παραγωγή.

(6) Αυτοματισμός

 Μπορεί να ειπωθεί ότι υπάρχει μόνο ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής μεταξύ της εικονικής φαντασίας και του πραγματικού. Η παραγωγή τρισδιάστατης εκτύπωσης με ένα κλειδί εξοικονομεί πολύ εργατικό κόστος και ανθρώπινα λάθη.