Ako funguje 3D tlač?

Jednou z aditívnych výrobných metód je 3D tlač. Je „aditívny“ v tom, že jednoducho skladá a spája vrstvy materiálu na vytvorenie skutočných objektov namiesto toho, aby potreboval blok materiálu alebo formu. Dokáže zostaviť komplikovanejšie geometrie ako „konvenčné“ technológie, je často rýchly, má lacné fixné náklady na nastavenie a pracuje so stále rastúcou škálou materiálov. Odvetvie strojárstva ho výrazne využíva, najmä pri prototypovaní a vývoji ľahkých geometrií.

Aditívna výroba a 3D tlač

Pojem „3D tlač“ sa často spája s kultúrou výrobcov, amatérmi a nadšencami, stolnými tlačiarňami, dostupnými tlačovými technikami ako FDM a lacnými materiálmi ako ABS a PLA. Čiastočne je to spôsobené cenovo dostupnými stolnými tlačiarňami, ktoré vzišli z hnutia RepRap, ako napríklad pôvodný MakerBot a Ultimaker, ktoré prispeli k demokratizácii 3D tlače a rozmachu 3D tlače v roku 2009.

Technológia 3D tlače: Budúcnosť inovatívnej výroby

3Dtlačhistórie

Produkty konceptu 3D tlače začali v 70. rokoch minulého storočia. V roku 1981 japonský vedec Dr. Kodama, ktorý ako prvý opísal spôsob výroby tlače po vrstvách, vyskúšal 3D tlač a osobne vytvoril technológiu 3D tlače SLA (stereolitografia) – fotosenzitívnu živicu polymerizovanú ultrafialovým svetlom.

O niekoľko rokov neskôr vykonal hĺbkový výskum technológie SLA aj americký vedec Charles Hull av roku 1986 predložil prvý patent SLA. V roku 1988 založil 3D Systems a uviedol na trh svoj prvý komerčný produkt, SLA-1. (obrázok nižšie)

Dá sa povedať, že SLA je najskoršou vyvinutou technológiou 3D tlače, takže kedy neskôr vznikli SLS (selektívne laserové spekanie) a FDM (modelovanie fúzovaného nanášania)

V roku 1988 si Američan Carl Deckard patentoval na Texaskej univerzite technológiu SLS, čo je ďalšia technika 3D tlače, pri ktorej laser lokálne spája častice prášku dohromady a tlačí. V tom istom roku Scott Crump, jeden zo zakladateľov spoločnosti Stratasys, požiadal o patent na modelovanie fúzovaného depozície (FDM). Od roku 1980 do roku 1990 boli všetky tri hlavné technológie 3D tlače patentované, čo znamenalo začiatok obdobia rýchleho rozvoja v tomto odvetví. .

V Európe spoločnosť EOS GmbH vytvorila dizajnový systém pre 3D tlač: systém Stereos". Dnes sa jej 3D tlačené modely v priemyselnom sektore používajú na celom svete pre technológiu 3D tlače SLS (Selective Laser Sintering) pre plasty a kovy uznávanú v.

V roku 1992 bol schválený patent na technológiu 3D tlače FDM (Fused Deposition Modeling) spoločnosťou Stratasys, ktorá vyvinula 3D tlačiarne, aby vyhovovali rôznym potrebám mnohých profesionálov a jednotlivcov.

Od roku 1993 do roku 1999 sa v priemysle 3D tlače objavili rôzne technológie. Súčasne sa vyvíjalo stále viac nových CAD softvéru a softvéru na 3D modelovanie, napríklad Sanders Prototype (teraz nazývaný Solidscape), ktorý bol jedným z prvých vytvorených účastníkov.

3D tlačové aplikácie s viacerými poľami

V roku 2008 vyšla prvá 3D tlačená protetika, ktorá ešte viac zvýšila podiel 3D tlače v médiách. Ľudia zistili, že 3D tlač môže nielen tlačiť tradičné diely, ale môže sa použiť aj na opravu ľudského tela. Tento úžasný projekt lekárskej 3D tlače spája všetky časti biologickej končatiny a môže byť vytlačený „tak ako je“ bez akejkoľvek následnej montáže. V súčasnosti sú v kombinácii s 3D skenovaním, 3D tlačené lekárske protézy a ortézy lacnejšie a rýchlejšie, aby vyhovovali potrebám pacientov. Navyše sú tieto protézy stále viac optimalizované a prispôsobené morfológii pacienta. 3D tlač prináša nové možnosti masovej personalizácie. (pridať obrázok)

Rok 2009 bol rokom, kedy patenty FDM vstúpili do oblasti masovej spotreby, čo otvorilo novú cestu pre rozsiahle inovácie FDM 3D tlačiarní. Keďže cena stolných 3D tlačiarní klesala, stále viac ľudí mohlo venovať pozornosť rozvoju odvetvia 3D tlače.

V roku 2013 americký prezident Barack Obama vo svojom prejave o stave Únie spomenul 3D tlač ako hlavný spôsob výroby budúcnosti, čím sa „3D tlač“ stala absolútnym módnym slovom. Teraz je jeho miesto v mysli verejnosti veľmi významné. Stále viac malých a stredných firiem využíva výhody nízkonákladového prototypovania, ktoré poskytuje 3D tlač, a plne ho integruje do svojich iteračných, inovačných a výrobných procesov.

3D tlač koncept auta

Pokiaľ ide o stavebné aplikácie, 3D tlačené domy sú dnes realitou. Ľudia sa do 3D tlačených domov prvýkrát nasťahovali v roku 2018. Dom má rozlohu 1022 štvorcových stôp, čo je veľmi obývateľné. Tlač trvala celkovo dva dni.

Klasifikačný systém 3D tlače o podobnostiach a rozdieloch medzi výrobou a 3D tlačou

Ako príklad si vezmite vydlabanú guľu. Na povrchu je viac ako tucet kvetov. Ak sa spracuje tradičným obrábaním, bude to veľmi problematické a vzory sa musia upravovať jeden po druhom. A ak zvolíte 3D tlač, nedochádza k plytvaniu materiálom, preto má aj názov aditívna výroba, čo znamená, že na výrobu fyzických dielov sa používa metóda postupného hromadenia materiálov. Tradičnou metódou je najskôr vyrobiť embryo, potom odstrániť prebytočný materiál a zvyšný materiál má požadovaný tvar. Ak sa zistí problém, je potrebné otvoriť formu a upraviť ju; zatiaľ čo 3D tlač využíva postupne akumuláciu materiálu, hotový produkt môžete rýchlo vidieť.

Realizácia technológie 3D tlače

Technológia 3D tlače sa aplikuje v priemyselnej výrobe. To, čo 3D tlač potrebuje, nie je fyzický objekt, ale digitálny model. Ak chcete 3D vytlačiť skutočný objekt pred vami, musíte ho vymodelovať pomocou počítača, alebo pomocou 3D skenera zdigitalizovať skutočný objekt, teda 3D model, a veci si vytlačíte už za pätnásť minút. V súčasnosti je technológia 3D tlače rozdelená do štyroch hlavných kategórií: FDM, DLP/SLA a SLS

SLS -- proces formovania laserovým spekaním

SLS je relatívne high-tech prášok, ktorý sa topí pri vysokoteplotných podmienkach laserového ožarovania. Naneste vrstvu tenkého prášku na pracovný stôl a naskenujte prierez vrstvy laserovým lúčom, aby ste zvýšili teplotu na bod topenia, aby ste dosiahli spekanie a spájanie, opakujte nanášanie prášku, spekanie, brúsenie a sušenie, kým sa nevytvorí model. V skutočnosti je 3D tlač 2D tlačou znova a znova. Ak nakrájate predmet veľmi tenký, zistíte, že každý kúsok má tvar. Ak spojíte všetky tvary dohromady, získate trojrozmerný objekt štruktúry. Na kreslenie grafiky teda používame lasery. Odolnosť lisovaných dielov SLS voči prostrediu (teplota, vlhkosť a chemická korózia) je podobná ako u termoplastických materiálov; zatiaľ čo odolnosť SLA lisovaných dielov je relatívne nízka, napríklad SLA obrobky lisované epoxidovou živicou sú náchylné na vlhkosť a chemikálie. Korózia, v prostredí nad 38°C zmäkne a deformuje sa, ale presnosť tvarovania je vysoká.

SLA - proces tvarovania stereolitografie

SLA je technológia vytvrdzovania svetlom, ktorá je v súčasnosti v Číne pomerne rozvinutá. „Stereolitografia“ je, keď laserový lúč načrtne tvar prvej vrstvy objektu na povrchu tekutej živice a potom sa výrobná platforma zníži o určitú vzdialenosť (medzi 0,05-0,025 mm) a potom sa stuhnutá vrstva ponorí do tekutej živice atď. Použitá živica je fotocitlivá živica, ktorá po ožiarení laserovým lúčom vytvorí pevné skupenstvo a model tvarovania je rýchly a presný.

DLP - proces stereolitografického formovania

DLP digitálne spracovanie svetla, známe ako technológia laserového tvarovania. Technológia 3D tlače DLP má veľa podobností s technológiou 3D tlače SLA. Ak je výroba prirovnaná k kresleniu kruhu ceruzkou, potom je technológia SLA ekvivalentná kresleniu vrstvu po vrstve, zatiaľ čo DLP je ekvivalentné priamemu razeniu. Hromadná výroba, o ktorú sa usilujeme, má dva veľmi dôležité body, jedným je efektívnosť a druhým sú náklady na materiál. Existuje 3D tlačiareň, ktorá dokáže tlačiť stokrát rýchlejšie ako tradičná výroba, teda technológia tvárou v tvár, ktorú vyvinula spoločnosť v Shenzhene, Light Prism Technology. Vytlačenie dutej gule tradičnou 3D tlačou FDM trvá 2-5 hodín a najrýchlejšie to trvá hodinu, no tlač pomocou najnovšej technológie tvárou v tvár trvá len asi 10 minút. Rýchlosť tlače je úžasná. Akonáhle je táto 3D tlač na trhu, vplyv na tradičné remeslá je stále veľký.

FDM - Proces taveného nanášania

V porovnaní s technológiami DLP a SLS je technológia FDM relatívne jednoduchá, takže má veľké publikum a je jednoduchšie vstúpiť do rodiny. Prototyp je priamo skonštruovaný z 3D CAD údajov pomocou termoplastického materiálu, ktorý sa má vytlačiť do poloroztaveného vlákna, ktoré sa nanáša vrstva po vrstve. Výhody technológie FDM sú jednoduchá mechanická štruktúra, jednoduchý dizajn, nízke výrobné náklady, náklady na údržbu a materiál a žiadne znečistenie životného prostredia. Preto je FDM tiež najpoužívanejšou technológiou v domácich 3D tlačiarňach. Ide o pomerne tradičnú metódu tlače, ktorá nevyužíva laser a má nízku cenu, no presnosť nie je vysoká a rýchlosť tlače je veľmi pomalá. Toto je najdostupnejšia metóda pre každého a vo všeobecnosti sa používa na trhu vzdelávania.

Vplyv 3D tlače na výrobu a tradičné remeselné umenie

Výhody 3D tlače

(1) Prispôsobenie

Ak si vezmeme ako príklad zubné lekárstvo, každý má iné zuby, ale 3D tlač môže vyriešiť rozpor medzi zákazkovou výrobou a hromadnou výrobou a hromadná výroba prispôsobených implantátov, strojčekov atď.

(2) vzorka v reálnom čase

Kvôli vysokej rýchlosti 3D tlače dizajnér navrhne verziu produktu ráno a vedúci môže vidieť hotový produkt na poludnie a potom navrhne ďalšiu verziu o 18:00 a môže vidieť hotový produkt nasledujúce ráno, čo výrazne urýchľuje vývoj nových produktov. Ak to nie je zvlášť komplikované, 3D tlač dokáže vyrobiť hotové produkty za 3 hodiny, zatiaľ čo tradičné nátlačky trvajú zakaždým 4-6 týždňov, takže sa zlepšuje aj celková rýchlosť priemyselného dizajnu.

(3) Žiadne znečistenie

 Keďže všetky vyrobené suroviny sú šetrné k životnému prostrediu, celý výrobný proces je výroba bez znečistenia. Nedochádza k znečisťovaniu odpadových plynov a odpadových vôd a k plytvaniu zvyškovými materiálmi.

(4) Databizácia

Keď digitálna stomatológia dospeje, technické požiadavky na lekárov sa výrazne znížia. Pacientom stačí použiť prístroj na skenovanie len dve minúty v nemocnici a môžu poznať príčiny a riešenia všetkých problémov so zubami.

Okrem toho je možné 3D tlač použiť aj pre ortodonciu, tlač personalizovaných a prispôsobených priehľadných strojčekov. Mali by sa zuby pri plastickej chirurgii posúvať doľava alebo dopredu? O koľko milimetrov sa pohnúť? V minulosti sa stomatochirurgia spoliehala len na osobnú skúsenosť lekára, no digitálna stomatológia zvýšila stabilitu operácie a znížila technický prah lekárov.

(5) Rýchlo

 V porovnaní s tradičnými priemyselnými procesmi si 3D tlač nevyžaduje predbežné prípravy, ako je ľudská sila a doprava. Potrebuje len stroje a suroviny a dá sa rýchlo zaradiť do výroby.

(6) Automatizácia

 Dá sa povedať, že medzi virtuálnou predstavou a skutočnou je len jedna 3D tlačiareň. Jednokľúčová výroba 3D tlače šetrí množstvo mzdových nákladov a ľudských chýb.