Miten 3D-tulostus toimii?

Yksi lisävalmistusmenetelmä on 3D-tulostus. Se on "lisäaine" siinä mielessä, että se yksinkertaisesti pinoaa ja sulattaa materiaalikerroksia todellisten esineiden luomiseksi sen sijaan, että tarvitsisi materiaalilohkon tai muotin. Se voi rakentaa monimutkaisempia geometrioita kuin "tavanomaiset" tekniikat, se on usein nopea, sillä on halvat kiinteät asennuskustannukset ja se toimii jatkuvasti kasvavan materiaalivalikoiman kanssa. Insinööriteollisuus hyödyntää sitä merkittävästi erityisesti prototyyppien ja kevyiden geometrioiden kehittämisessä.

Additiivinen valmistus ja 3D-tulostus

Termi "3D-tulostus" yhdistetään usein valmistajakulttuuriin, amatööreihin ja harrastajiin, pöytätulostimiin, helppokäyttöisiin tulostustekniikoihin, kuten FDM, ja edullisiin materiaaleihin, kuten ABS ja PLA. Tämä johtuu osittain RepRap-liikkeestä syntyneistä edullisista pöytätulostimista, kuten alkuperäisistä MakerBotista ja Ultimakeristä, jotka vaikuttivat osaltaan 3D-tulostuksen demokratisoitumiseen ja vuoden 2009 3D-tulostusbuumiin.

3D-tulostustekniikka: Innovatiivisen valmistuksen tulevaisuus

3Dpainatushistoria

3D-tulostuksen konseptituotteet saivat alkunsa 1970-luvulla. Vuonna 1981 japanilainen tiedemies Dr. Kodama, joka kuvasi ensimmäisenä kerros-kerroksisen tulostuksen valmistusmenetelmää, kokeili 3D-tulostusta ja loi henkilökohtaisesti SLA (stereolitografia) 3D-tulostusteknologian valoherkän hartsin, joka polymeroitiin ultraviolettivalolla.

Muutamaa vuotta myöhemmin amerikkalainen tiedemies Charles Hull teki myös syvällistä tutkimusta SLA-tekniikasta ja jätti ensimmäisen SLA-patentin vuonna 1986. Perustivat 3D Systemsin ja julkaisivat ensimmäisen kaupallisen tuotteensa, SLA-1:n vuonna 1988. (kuva alla)

SLA:n voidaan sanoa olevan aikaisin kehitetty 3D-tulostustekniikka, joten milloin SLS (Selective Laser Sintering) ja FDM (Fused Deposition Modeling) tulivat myöhemmin.

Vuonna 1988 amerikkalainen Carl Deckard patentoi Teksasin yliopistossa SLS-teknologian, joka on toinen 3D-tulostustekniikka, jossa laser sulattaa paikallisesti jauhehiukkaset yhteen tulostaakseen. Samana vuonna Scott Crump, yksi Stratasysin perustajista, haki patenttia sulatepinnoitusmallinnukseen (FDM). Vuodesta 1980 vuoteen 1990 kaikki 3D-tulostuksen kolme päätekniikkaa patentoitiin, mikä merkitsi nopean kehityksen ajanjakson alkua tällä alalla. .

Euroopassa EOS GmbH loi suunnittelujärjestelmän 3D-tulostukseen: Stereos"-järjestelmän. Nykyään sen 3D-tulostettuja malleja teollisuussektorilla käytetään maailmanlaajuisesti SLS 3D -tulostusteknologiassa (Selective Laser Sintering) muoveille ja metalleille, jotka on tunnustettu vuonna.

Vuonna 1992 FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-tulostusteknologian patentti hyväksyttiin Stratasysilta, joka kehitti 3D-tulostimia vastaamaan monien ammattilaisten ja yksityishenkilöiden tarpeisiin.

Vuodesta 1993 vuoteen 1999 3D-tulostusteollisuudelle ilmestyi erilaisia ​​teknologioita. Samaan aikaan kehitettiin yhä enemmän uusia CAD-ohjelmistoja ja 3D-mallinnusohjelmistoja, esimerkiksi Sanders Prototype (nykyään Solidscape), joka oli yksi ensimmäisistä osallistujista.

3D-tulostuksen monikenttäsovellukset

Vuonna 2008 ilmestyi ensimmäinen 3D-tulostettu proteesi, joka lisäsi entisestään 3D-tulostuksen osuutta mediassa. Ihmiset havaitsivat, että 3D-tulostus ei voi tulostaa vain perinteisiä osia, vaan sitä voidaan käyttää myös ihmiskehon korjaamiseen. Tämä hämmästyttävä lääketieteellinen 3D-tulostusprojekti yhdistää kaikki biologisen raajan osat ja se voidaan tulostaa "sellaisenaan" ilman jälkikokoonpanoa. Nykyään yhdessä 3D-skannauksen kanssa 3D-tulostetut lääketieteelliset proteesit ja ortoosit ovat tulossa halvempia ja nopeampia vastaamaan potilaiden tarpeisiin. Lisäksi näitä proteeseja optimoidaan yhä enemmän ja mukautetaan potilaan morfologiaan. 3D-tulostus tuo uusia mahdollisuuksia massapersonointiin. (lisää kuva)

2009 oli vuosi, jolloin FDM-patentit tulivat massakulutuskentälle, mikä avasi uuden tien FDM 3D-tulostimien laajalle innovaatiolle. Kun pöytätietokoneiden 3D-tulostimien hinnat laskivat, yhä useammat ihmiset pystyivät kiinnittämään huomiota 3D-tulostusteollisuuden kehitykseen.

Vuonna 2013 Yhdysvaltain presidentti Barack Obama mainitsi 3D-tulostuksen State of the Union -puheessaan tulevaisuuden tärkeimmäksi tuotantomuodoksi tehden "3D-tulostuksesta" ehdottoman muotisanan. Nyt sen paikka julkisuudessa on erittäin näkyvä. Yhä useammat pienet ja keskisuuret yritykset hyödyntävät 3D-tulostuksen tarjoamaa edullista prototyyppiä ja integroivat sen täysin iteraatioihinsa, innovaatioihinsa ja tuotantoprosesseihinsa.

3D-tulostuskonseptiauto

Mitä tulee rakentamiseen, 3D-tulostetut talot ovat nyt todellisuutta. 3D-tulostettuihin taloihin muutti ensimmäistä kertaa vuonna 2018. Talossa on pinta-alaa 1022 neliömetriä, mikä on erittäin asuttava. Tulostaminen kesti yhteensä kaksi päivää.

3D-tulostuksen luokittelujärjestelmä valmistuksen ja 3D-tulostuksen yhtäläisyyksien ja erojen perusteella

Otetaan esimerkiksi koverrettu pallo. Pinnalla on yli tusina kukkaa. Jos se käsitellään perinteisellä työstyksellä, se on erittäin hankala, ja kuvioita on muutettava yksitellen. Ja jos valitset 3D-tulostuksen, materiaalia ei hukkaa, joten sillä on myös nimitys additiivinen valmistus, mikä tarkoittaa, että materiaalien vähitellen kasautuvalla menetelmällä valmistetaan fyysisiä osia. Perinteinen menetelmä on tehdä alkio ensin, sitten poistaa ylimääräinen materiaali ja jäljelle jäävä materiaali on vaaditun muotoinen. Jos ongelma havaitaan, on tarpeen avata muotti ja muokata sitä; vaikka 3D-tulostus kuluttaa pikkuhiljaa materiaalia, näet valmiin tuotteen nopeasti.

3D-tulostusteknologian toteutus

3D-tulostustekniikkaa sovelletaan teolliseen tuotantoon. 3D-tulostuksen ei tarvitse käyttää fyysistä esinettä, vaan digitaalista mallia. Jos haluat 3D-tulostaa edessäsi olevan todellisen kohteen, sinun on mallinnettava se tietokoneella tai digitoitava 3D-skannerilla todellinen esine eli 3D-malli ja voit tulostaa asiat jopa viidessätoista minuutissa. Tällä hetkellä 3D-tulostustekniikka on jaettu neljään pääluokkaan: FDM, DLP/SLA ja SLS

SLS - lasersintrausmuovausprosessi

SLS on suhteellisen korkean teknologian jauhe, joka sulaa korkean lämpötilan lasersäteilytyksen olosuhteissa. Levitä kerros ohutta jauhetta työpöydälle ja skannaa kerroksen poikkileikkaus lasersäteellä lämpötilan nostamiseksi sulamispisteeseen, jotta sintraus ja sidos toteutuvat, toista jauheen levitys, sintraus, jauhaminen ja kuivaus, kunnes malli on muodostunut. Itse asiassa 3D-tulostus on 2D-tulostusta yhä uudelleen ja uudelleen. Jos viipaloit esineen hyvin ohuiksi, huomaat, että jokaisella kappaleella on muoto. Jos laitat kaikki muodot yhteen, saat kolmiulotteisen rakenneobjektin. Joten käytämme lasereita grafiikan piirtämiseen. SLS-muovattujen osien kestävyys ympäristöä vastaan ​​(lämpötila, kosteus ja kemiallinen korroosio) on samanlainen kuin termoplastisten materiaalien; kun taas SLA-muovattujen osien kestävyys on suhteellisen heikko, esimerkiksi epoksihartsilla valetut SLA-työkappaleet ovat herkkiä kosteudelle ja kemikaaleille. Korroosio, se pehmenee ja vääntyy yli 38 °C:n lämpötilassa, mutta muovaustarkkuus on korkea.

SLA -stereolitografiavaluprosessi

SLA on valokovettuva tekniikka, joka on tällä hetkellä suhteellisen kehittynyt Kiinassa. "Stereolitografia" tarkoittaa sitä, että lasersäde hahmottaa esineen ensimmäisen kerroksen muodon nestemäisen hartsin pinnalle, ja sitten tuotantoalustaa lasketaan tietyn etäisyyden verran (välillä 0,05-0,025 mm), ja sitten jähmettynyt kerros upotetaan nestemäiseen hartsiin ja niin edelleen. Käytetty hartsi on valoherkkää hartsia, joka muodostaa kiinteän tilan lasersäteen säteilytyksen jälkeen, ja muodostusmalli on nopea ja tarkka.

DLP - stereolitografiamuovausprosessi

DLP-digitaalinen valonkäsittely, joka tunnetaan lasermuotoilutekniikana. DLP 3D -tulostustekniikalla on monia yhtäläisyyksiä SLA 3D -tulostustekniikan kanssa. Jos tuotantoa verrataan ympyrän piirtämiseen lyijykynällä, niin SLA-tekniikka vastaa kerros kerrokselta piirtämistä, kun taas DLP vastaa suoraan leimaamista. Tavoittelemassamme massatuotannossa on kaksi erittäin tärkeää seikkaa, joista toinen on tehokkuus ja toinen materiaalikustannukset. On olemassa 3D-tulostin, joka voi tulostaa satoja kertoja nopeammin kuin perinteinen valmistus eli face-to-face-tekniikka, jonka on kehittänyt Shenzhenissä toimiva Light Prism Technology. Onton pallon tulostaminen perinteisellä FDM 3D -tulostuksella kestää 2-5 tuntia ja nopeimmillaan tunnin, mutta uusimmalla kasvotusten tekniikalla tulostamiseen kuluu vain noin 10 minuuttia. Tulostusnopeus on hämmästyttävä. Kun tämä 3D-tulostus tulee markkinoille, vaikutus perinteiseen käsityöhön on edelleen suuri.

FDM - sulatettu kerrostusmuovausprosessi

DLP- ja SLS-teknologioihin verrattuna FDM-tekniikka on suhteellisen yksinkertainen, joten sillä on suuri yleisö ja se on helpompi päästä perheeseen. Prototyyppi on rakennettu suoraan 3D CAD -tiedoista käyttämällä termoplastista materiaalia, joka suulakepuristetaan puolisulaksi filamentiksi, joka kerrostetaan kerros kerrokselta. FDM-tekniikan etuja ovat yksinkertainen mekaaninen rakenne, helppo suunnittelu, alhaiset valmistuskustannukset, ylläpitokustannukset ja materiaalikustannukset sekä ympäristön saastuminen. Siksi FDM on myös yleisimmin käytetty tekniikka kotitalouksien pöytätietokoneiden 3D-tulostimissa. Se on suhteellisen perinteinen tulostusmenetelmä, jossa ei käytetä laseria ja jonka kustannukset ovat alhaiset, mutta tarkkuus ei ole korkea ja tulostusnopeus on erittäin hidas. Tämä on kaikkien saavutettavin menetelmä, ja sitä käytetään yleisesti koulutusmarkkinoilla.

3D-tulostuksen vaikutus tuotantoon ja perinteiseen käsityötaitoon

3D-tulostuksen edut

(1) Räätälöinti

Hammaslääketieteen esimerkkinä, jokaisen hampaat ovat erilaisia, mutta 3D-tulostus voi ratkaista räätälöidyn tuotannon ja massatuotannon välisen ristiriidan, ja massa tuottaa räätälöityjä implantteja, hampaita jne.

(2) näyte reaaliajassa

3D-tulostuksen nopean nopeuden vuoksi suunnittelija suunnittelee tuotteesta version aamulla ja johtaja näkee valmiin tuotteen keskipäivällä ja sitten suunnittelee toisen version klo 18.00 ja voi nähdä valmiin tuotteen seuraavana aamuna, mikä nopeuttaa huomattavasti uusien tuotteiden kehitystä. Jos se ei ole erityisen monimutkaista, 3D-tulostus voi tuottaa valmiita tuotteita 3 tunnissa, kun taas perinteinen vedostus kestää 4-6 viikkoa joka kerta, joten myös teollisen suunnittelun kokonaisnopeus paranee.

(3) Ei saastumista

 Koska kaikki valmistetut raaka-aineet ovat ympäristöystävällisiä, koko tuotantoprosessi on saastuttamatonta tuotantoa. Siellä ei ole jätekaasun ja jäteveden saastumista eikä jäännösmateriaalien hukkaa.

(4) Datasointi

Kun digitaalinen hammashoito kypsyy, lääkäreiden tekniset vaatimukset vähenevät huomattavasti. Potilaiden tarvitsee käyttää instrumenttia skannaukseen vain kaksi minuuttia sairaalassa, ja he voivat tietää kaikkien hammasongelmien syyt ja ratkaisut.

Lisäksi 3D-tulostusta voidaan käyttää myös oikomishoidossa, räätälöityjen ja räätälöityjen läpinäkyvien henkselien tulostamiseen. Pitäisikö plastiikkakirurgian aikana hampaiden liikkua vasemmalle vai eteenpäin? Kuinka monta millimetriä liikkua? Aiemmin hammaskirurgia perustui pelkästään lääkärin henkilökohtaiseen kokemukseen, mutta digitaalinen hammashoito on lisännyt leikkauksen vakautta ja alentanut lääkäreiden teknistä kynnystä.

(5) Nopea

 Perinteisiin teollisiin prosesseihin verrattuna 3D-tulostus ei vaadi ennakkovalmisteluja, kuten työvoimaa ja kuljetuksia. Se tarvitsee vain koneita ja raaka-aineita, ja se voidaan ottaa nopeasti tuotantoon.

(6) Automaatio

 Voidaan sanoa, että virtuaalisen mielikuvituksen ja todellisen asian välissä on vain yksi 3D-tulostin. 3D-tulostuksen yhden avaimen tuotanto säästää paljon työvoimakustannuksia ja inhimillisiä virheitä.