Hogyan működik a 3D nyomtatás?

Az egyik additív gyártási módszer a 3D nyomtatás. "Additív", mivel egyszerűen egymásra rakja és összeolvasztja az anyagrétegeket, hogy tényleges tárgyakat hozzon létre, ahelyett, hogy anyagtömbre vagy öntőformára lenne szüksége. Bonyolultabb geometriákat tud felépíteni, mint a "hagyományos" technológiák, gyakran gyors, olcsó, fix beállítási költsége van, és folyamatosan bővülő anyagokkal dolgozik. A mérnöki szektor jelentős mértékben használja ki, különösen prototípusok készítésekor és könnyű geometriák fejlesztésekor.

Additív gyártás és 3D nyomtatás

A „3D nyomtatás” kifejezést gyakran hozzák létre a gyártói kultúrához, az amatőrökhöz és a rajongókhoz, az asztali nyomtatókhoz, az olyan hozzáférhető nyomtatási technikákhoz, mint az FDM, valamint az olyan olcsó anyagokhoz, mint az ABS és a PLA. Ez részben a RepRap mozgalomból kibontakozó megfizethető asztali nyomtatóknak köszönhető, mint például az eredeti MakerBot és az Ultimaker, amelyek hozzájárultak a 3D nyomtatás demokratizálódásához és a 2009-es 3D nyomtatás fellendüléséhez.

3D nyomtatási technológia: Az innovatív gyártás jövője

3Dnyomtatástörténelem

A 3D nyomtatás koncepciótermékei az 1970-es években kezdődtek. 1981-ben Dr. Kodama japán tudós, aki elsőként írta le a rétegről rétegre történő nyomtatás gyártási módszerét, kipróbálta a 3D nyomtatást, és személyesen megalkotta az SLA (sztereolitográfia) 3D nyomtatási technológiát alkalmazó, ultraibolya fénnyel polimerizált fényérzékeny gyantát.

Néhány évvel később Charles Hull amerikai tudós is mélyreható kutatásokat végzett az SLA technológiájával kapcsolatban, és 1986-ban benyújtotta az SLA első szabadalmát. Megalapította a 3D Systems-t, és 1988-ban kiadta első kereskedelmi termékét, az SLA-1-et. (az alábbi kép)

Az SLA a legkorábban kifejlesztett 3D nyomtatási technológiának mondható, így mikor jelent meg később az SLS (Selective Laser Sintering) és az FDM (Fused Deposition Modeling)

1988-ban az amerikai Carl Deckard szabadalmaztatta az SLS technológiát a Texasi Egyetemen, amely egy másik 3D nyomtatási technika, amelyben a lézer lokálisan egyesíti a porszemcséket a nyomtatáshoz. Ugyanebben az évben Scott Crump, a Stratasys egyik alapítója szabadalmat kért a fuzionált depozíciós modellezésre (FDM). 1980 és 1990 között a 3D nyomtatás három fő technológiáját mind szabadalmaztatták, ami egy gyors fejlődési időszak kezdetét jelentette ebben az iparágban. .

Európában az EOS GmbH megalkotta a 3D nyomtatás tervezőrendszerét: a Stereos" rendszert. Ma az ipari szektorban gyártott 3D nyomtatott modelljeit világszerte használják az SLS 3D nyomtatási technológiához (Selective Laser Sintering) műanyagokhoz és fémekhez.

1992-ben a Stratasys engedélyezte az FDM (Fused Deposition Modeling) 3D nyomtatási technológia szabadalmát, amely 3D nyomtatókat fejlesztett ki számos szakember és magánszemély különböző igényeinek kielégítésére.

1993 és 1999 között különböző technológiák jelentek meg a 3D nyomtatási iparban. Ezzel párhuzamosan egyre több új CAD szoftver és 3D modellező szoftver készült, például a Sanders Prototype (ma Solidscape néven), amely az egyik első résztvevő volt.

3D nyomtatási többmezős alkalmazások

2008-ban jelent meg az első 3D-nyomtatott protézis, ami tovább növelte a 3D nyomtatás részesedését a médiában. Az emberek azt találták, hogy a 3D nyomtatás nemcsak hagyományos alkatrészek nyomtatására alkalmas, hanem emberi test javítására is alkalmazható. Ez a csodálatos orvosi 3D nyomtatási projekt egy biológiai végtag minden részét egyesíti, és "ahogy van" minden további összeszerelés nélkül nyomtatható. Manapság a 3D szkenneléssel kombinálva a 3D nyomtatott orvosi protézisek és az ortopédia egyre olcsóbban és gyorsabban elégíti ki a betegek igényeit. Ezenkívül ezeket a protéziseket egyre jobban optimalizálják és a páciens morfológiájához igazítják. A 3D nyomtatás új lehetőségeket kínál a tömeges személyre szabáshoz. (kép hozzáadása)

2009 volt az az év, amikor az FDM szabadalmak megjelentek a tömeges fogyasztás területén, ami új utat nyitott az FDM 3D nyomtatók széles körű innovációja előtt. Az asztali 3D nyomtatók árának csökkenésével egyre többen figyelhettek a 3D nyomtatóipar fejlődésére.

2013-ban Barack Obama amerikai elnök az Unió állapotáról szóló beszédében a 3D nyomtatást említette a jövő fő termelési módjaként, így a „3D nyomtatás” abszolút divatszóvá vált. Most a köztudatban elfoglalt helye nagyon előkelő. Egyre több kis- és középvállalat használja ki a 3D nyomtatás által biztosított olcsó prototípus-készítés előnyeit, teljes mértékben integrálva azt iterációs, innovációs és gyártási folyamataiba.

3D nyomtatás koncepcióautó

Ami az építőipari alkalmazásokat illeti, a 3D nyomtatott házak mára valósággá váltak. 2018-ban költöztek először 3D nyomtatott házakba az emberek. A ház alapterülete 1022 négyzetméter, ami nagyon élhető. Összesen két napig tartott a nyomtatás.

A 3D nyomtatás osztályozási rendszere a gyártás és a 3D nyomtatás közötti hasonlóságokra és különbségekre

Vegyük például a kivájt golyót. A felszínen több mint egy tucat virág található. Ha hagyományos megmunkálással dolgozzuk fel, az nagyon gondot okoz, és a mintákat egyenként kell módosítani. Ha pedig a 3D nyomtatást választja, akkor nincs anyagpazarlás, így annak is van egy additív gyártás elnevezése, ami azt jelenti, hogy az anyagok fokozatosan felhalmozódó módszerével készülnek fizikai alkatrészek. A hagyományos módszer szerint először az embriót készítik el, majd eltávolítják a felesleges anyagot, és a maradék anyag a kívánt alakú. Ha problémát észlel, ki kell nyitni egy formát és módosítani kell; míg a 3D nyomtatás apránként használ fel anyagfelhalmozást, gyorsan látható a kész termék.

3D nyomtatási technológia megvalósítása

A 3D nyomtatási technológiát az ipari termelésben alkalmazzák. A 3D nyomtatásnak nem a fizikai tárgyat kell használnia, hanem a digitális modellt. Ha az előttünk lévő valós tárgyat szeretnénk 3D-ben nyomtatni, akkor számítógéppel kell modellezni, vagy 3D szkennerrel digitalizálni a valós tárgyat, vagyis egy 3D modellt, és már tizenöt perc alatt kinyomtathatjuk a dolgokat. Jelenleg a 3D nyomtatási technológia négy fő kategóriába sorolható: FDM, DLP/SLA és SLS

SLS – lézeres szinterezési eljárás

Az SLS egy viszonylag high-tech por, amely lézeres besugárzás magas hőmérsékleti körülményei között megolvad. Terítsen egy réteg vékony port a munkaasztalra, és pásztázza le a réteg keresztmetszetét a lézersugárral, hogy a hőmérsékletet az olvadáspontra emelje, hogy megvalósuljon a szinterezés és kötés, ismételje meg a porszórást, szinterezést, csiszolást és szárítást, amíg a modell meg nem alakul. Valójában a 3D nyomtatás 2D nyomtatás újra és újra. Ha egy tárgyat nagyon vékonyra szeletel, azt fogja tapasztalni, hogy minden darabnak van formája. Ha az összes alakzatot összerakjuk, akkor egy háromdimenziós szerkezeti objektumot kapunk. Tehát lézert használunk a grafika rajzolásához. Az SLS fröccsöntött alkatrészek környezeti ellenállása (hőmérséklet, páratartalom és kémiai korrózió) hasonló a hőre lágyuló anyagokéhoz; míg az SLA fröccsöntött alkatrészek ellenállása viszonylag gyenge, például az epoxigyantával öntött SLA munkadarabok érzékenyek a nedvességre és a vegyszerekre. Korrózió, 38°C feletti környezetben meglágyul és deformálódik, de a formázási pontosság nagy.

SLA – sztereolitográfiai öntési eljárás

Az SLA egy fényre keményedő technológia, amely jelenleg Kínában viszonylag fejlett. A "sztereolitográfia" az, amikor a lézersugár kirajzolja a tárgy első réteg alakját a folyékony gyanta felületén, majd a gyártóplatformot egy bizonyos távolsággal (0,05-0,025 mm között) leengedik, majd a megszilárdult réteget a folyékony gyantába merítik, és így tovább. A felhasznált gyanta fényérzékeny gyanta, amely a lézersugárral történő besugárzás után szilárd halmazállapotúvá válik, és a formázási modell gyors és precíz.

DLP – sztereolitográfiai öntési eljárás

DLP digitális fényfeldolgozás, lézeres alakformáló technológiaként ismert. A DLP 3D nyomtatási technológia sok hasonlóságot mutat az SLA 3D nyomtatási technológiával. Ha a gyártást egy kör ceruzával való rajzolásához hasonlítjuk, akkor az SLA technológia a rétegenkénti rajzolással, míg a DLP a közvetlen bélyegzéssel egyenértékű. Az általunk követett tömeggyártásnak két nagyon fontos pontja van, az egyik a hatékonyság, a másik az anyagköltség. Létezik egy 3D nyomtató, amely több százszor gyorsabban tud nyomtatni, mint a hagyományos gyártás, vagyis a face-to-face technológia, amelyet egy sencseni cég, a Light Prism Technology fejlesztett ki. Egy üreges golyó kinyomtatása hagyományos FDM 3D nyomtatással 2-5 óra, leggyorsabban egy óra, de a legújabb face-to-face technológiával mindössze 10 percet vesz igénybe. A nyomtatási sebesség elképesztő. Amint ez a 3D-s nyomtatás megjelenik a piacon, a hagyományos kézművességre gyakorolt ​​hatása továbbra is nagy.

FDM – olvasztott lerakódásos formázási eljárás

A DLP és SLS technológiához képest az FDM technológia viszonylag egyszerű, így nagy a közönsége, és könnyebben beilleszthető a családba. A prototípus közvetlenül a 3D CAD adatokból készül, a hőre lágyuló anyag felhasználásával, amelyet félig olvadt filamentummá extrudálnak, amelyet rétegről rétegre helyeznek fel. Az FDM technológia előnyei az egyszerű mechanikai szerkezet, a könnyű tervezés, az alacsony gyártási költség, a karbantartási költség és az anyagköltség, valamint a környezetszennyezés hiánya. Ezért az FDM a legszélesebb körben használt technológia a háztartási asztali 3D nyomtatókban is. Ez egy viszonylag hagyományos nyomtatási módszer, amely nem használ lézert és alacsony költséggel jár, de a pontosság nem nagy, és a nyomtatási sebesség nagyon lassú. Ez a mindenki számára leginkább elérhető módszer, és általában az oktatási piacon használják.

A 3D nyomtatás hatása a gyártásra és a hagyományos kézművességre

A 3D nyomtatás előnyei

(1) Testreszabás

Ha például a fogászatot vesszük, akkor mindenkinek más a fogazata, de a 3D nyomtatással fel lehet oldani az ellentmondást az egyedi gyártás és a tömeggyártás között, illetve tömegesen gyártanak személyre szabott implantátumokat, fogszabályzókat stb.

(2) valós idejű minta

A 3D nyomtatás gyors sebessége miatt a tervező már reggel megtervezi a termék egy verzióját, a vezető pedig délben láthatja a kész terméket, majd 18 órakor egy másik változatot tervez, másnap reggel pedig láthatja a kész terméket, ami nagyban felgyorsítja az új termékek fejlesztésének sebességét. Ha nem különösebben bonyolult, a 3D nyomtatással 3 óra alatt lehet készterméket készíteni, míg a hagyományos próbanyomtatás minden alkalommal 4-6 hetet vesz igénybe, így az ipari tervezés általános sebessége is javul.

(3) Nincs szennyezés

 Mivel az előállított alapanyagok mind környezetbarátak, a teljes gyártási folyamat szennyezésmentes gyártás. Nem keletkezik hulladékgáz és szennyvíz szennyezése, és nincs hulladék maradvány.

(4) Adatosítás

Amikor a digitális fogászat kiforrott, az orvosokkal szemben támasztott technikai követelmények jelentősen csökkennek. A betegeknek mindössze két percig kell a műszerrel szkennelni a kórházban, és minden fogászati ​​probléma okát és megoldását megismerhetik.

Emellett a 3D nyomtatás fogszabályozásra is használható, személyre szabott és testre szabott átlátszó fogszabályzók nyomtatására. A plasztikai műtét során a fogak balra vagy előre mozduljanak? Hány millimétert kell mozgatni? A fogászati ​​sebészet korábban kizárólag az orvos személyes tapasztalatára támaszkodott, de a digitális fogászat növelte a műtét stabilitását és csökkentette az orvosok technikai küszöbét.

(5) Gyors

 A hagyományos ipari folyamatokhoz képest a 3D nyomtatás nem igényel olyan előzetes előkészületeket, mint a munkaerő és a szállítás. Csak gépek és alapanyagok kellenek hozzá, gyorsan gyártásba állítható.

(6) Automatizálás

 Elmondható, hogy a virtuális képzelet és a valódi között egyetlen 3D nyomtató van. A 3D nyomtatás egykulcsos gyártása rengeteg munkaerőköltséget és emberi hibát takarít meg.