Hur fungerar 3D-utskrift?

En additiv tillverkningsmetod är 3D-utskrift. Det är "additivt" genom att det helt enkelt staplar och smälter lager av material för att skapa faktiska föremål istället för att behöva ett materialblock eller en form. Den kan bygga mer komplicerade geometrier än "konventionella" teknologier, är ofta snabb, har billiga fasta installationskostnader och arbetar med ett ständigt växande materialutbud. Ingenjörssektorn använder den i hög grad, särskilt när man skapar prototyper och utvecklar lättviktsgeometrier.

Additiv tillverkning och 3D-utskrift

Termen "3D-utskrift" är ofta kopplad till tillverkarkultur, amatörer och entusiaster, skrivbordsskrivare, tillgängliga utskriftstekniker som FDM och billiga material som ABS och PLA. Detta beror delvis på de prisvärda skrivbordsskrivarna som uppstod ur RepRap-rörelsen, som den ursprungliga MakerBot och Ultimaker, som bidrog till demokratiseringen av 3D-utskrift och 2009 års 3D-utskriftsboom.

3D-utskriftsteknik: Framtiden för innovativ tillverkning

3Dutskrifthistoria

Konceptprodukter för 3D-utskrift startade på 1970-talet. År 1981 testade den japanska forskaren Dr. Kodama, som var den första att beskriva tillverkningsmetoden för lager-för-lager-utskrift, 3D-utskrift och skapade personligen SLA (stereolitografi) 3D-utskriftsteknologi-ljuskänsligt harts polymeriserat av ultraviolett ljus.

Några år senare genomförde den amerikanske vetenskapsmannen Charles Hull också djupgående forskning om SLA-tekniken och lämnade in det första patentet för SLA 1986. Grundade 3D Systems och släppte sin första kommersiella produkt, SLA-1, 1988. (bilden nedan)

SLA kan sägas vara den tidigast utvecklade 3D-utskriftstekniken, så när gjorde SLS (Selective Laser Sintering) och FDM (Fused Deposition Modeling) senare

1988 patenterade amerikanen Carl Deckard SLS-teknik vid University of Texas, vilket är en annan 3D-utskriftsteknik där en laser lokalt smälter samman pulverpartiklar för att skriva ut. Samma år ansökte Scott Crump, en av grundarna av Stratasys, om ett patent för fused deposition modeling (FDM). Från 1980 till 1990 patenterades de tre huvudsakliga teknologierna för 3D-utskrift, vilket markerade början på en period av snabb utveckling inom denna industri. .

I Europa skapade EOS GmbH ett designsystem för 3D-utskrift: Stereos"-systemet. Idag används dess 3D-utskrivna modeller inom industrisektorn över hela världen för SLS 3D-utskriftsteknik (Selective Laser Sintering) för plaster och metaller erkända inom.

1992 godkändes FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-utskriftsteknologipatent av Stratasys, som utvecklade 3D-skrivare för att möta de olika behoven hos många yrkesverksamma och individer.

Från 1993 till 1999 växte olika teknologier fram inom 3D-utskriftsindustrin. Samtidigt utvecklades mer och mer ny CAD-mjukvara och 3D-modelleringsprogram, till exempel Sanders Prototype (nu kallad Solidscape) som var en av de första deltagarna som skapades.

3D-utskrift med flera fält

2008 kom den första 3D-printade protesen, vilket ytterligare ökade andelen 3D-utskrifter i media. Människor fann att 3D-utskrift inte bara kan skriva ut traditionella delar utan också användas för reparation av människokroppen. Detta fantastiska medicinska 3D-utskriftsprojekt kombinerar alla delar av en biologisk lem och kan skrivas ut "som den är" utan efterföljande montering. Idag, i kombination med 3D-skanning, blir 3D-printade medicinska proteser och ortoser billigare och snabbare för att möta patienternas behov. Dessutom är dessa proteser alltmer optimerade och anpassade till patientens morfologi. 3D-utskrift ger nya möjligheter för masspersonalisering. (lägg till bild)

2009 var året då FDM-patent kom in på masskonsumtionsområdet, vilket öppnade en ny väg för omfattande innovation av FDM 3D-skrivare. När priset på stationära 3D-skrivare sjönk kunde fler och fler uppmärksamma utvecklingen av 3D-utskriftsbranschen.

2013 nämnde USA:s president Barack Obama 3D-utskrift i sitt State of the Union-tal som framtidens huvudsakliga produktionssätt, vilket gjorde "3D-utskrift" till ett absolut modeord. Nu är dess plats i allmänhetens sinne mycket framträdande. Fler och fler små och medelstora företag drar fördel av den lågkostnadsprototyp som 3D-utskrift tillhandahåller, och integrerar den helt i sina iterations-, innovations- och produktionsprocesser.

3D-utskrift konceptbil

När det gäller byggapplikationer är 3D-tryckta hus nu verklighet. Människor flyttade in i 3D-printade hus för första gången 2018. Huset har en yta på 1022 kvadratfot, vilket är mycket beboeligt. Det tog totalt två dagar att skriva ut.

Klassificeringssystemet för 3D-utskrift om likheter och skillnader mellan tillverkning och 3D-utskrift

Ta den urholkade bollen som exempel. Det finns mer än ett dussin blommor på ytan. Om det bearbetas med traditionell bearbetning blir det mycket besvärligt, och mönstren måste modifieras en efter en. Och väljer man 3D-utskrift så är det inget materialslöseri, så den har också ett namn som kallas för additiv tillverkning, vilket innebär att metoden att successivt samla material används för att tillverka fysiska delar. Den traditionella metoden är att först göra embryot, sedan ta bort överflödigt material, och det återstående materialet har den önskade formen. Om ett problem upptäcks är det nödvändigt att öppna en form och modifiera den; medan 3D-utskrift använder lite i taget materialansamling, kan du snabbt se den färdiga produkten.

3D-utskriftsteknik förverkligande

3D-utskriftsteknik tillämpas på industriell produktion. Vad 3D-utskrift behöver använda är inte det fysiska objektet, utan den digitala modellen. Om du vill 3D-skriva ut det verkliga objektet framför dig måste du använda en dator för att modellera det, eller använda en 3D-skanner för att digitalisera det riktiga objektet, det vill säga en 3D-modell, och du kan skriva ut saker på så lite som femton minuter. För närvarande är 3D-utskriftsteknik indelad i fyra huvudkategorier: FDM, DLP/SLA och SLS

SLS - lasersintringsformningsprocess

SLS är ett relativt högteknologiskt pulver som smälter under höga temperaturer av laserbestrålning. Sprid ett lager av tunt pulver på arbetsbänken och skanna lagrets tvärsnitt med laserstrålen för att höja temperaturen till smältpunkten, för att realisera sintring och bindning, upprepa pulverspridning, sintring, slipning och torkning tills modellen bildas. Faktum är att 3D-utskrift är 2D-utskrift om och om igen. Om du skär ett föremål väldigt tunt kommer du att upptäcka att varje bit har en form. Om du sätter ihop alla former får du ett tredimensionellt strukturobjekt. Så vi använder laser för att rita grafik. SLS-formade delars motståndskraft mot miljön (temperatur, fuktighet och kemisk korrosion) liknar termoplastiska material; medan motståndet hos SLA-gjutna delar är relativt dålig, till exempel är SLA-arbetsstycken gjutna med epoxiharts mottagliga för fukt och kemikalier. Korrosion, det kommer att mjukna och deformeras i en miljö över 38°C, men formningsnoggrannheten är hög.

SLA --stereolitografigjutningsprocess

SLA är en ljushärdande teknik, som är relativt utvecklad i Kina för närvarande. "Stereolitografi" är när laserstrålen skisserar objektets första lagerform på ytan av det flytande hartset, och sedan sänks produktionsplattformen med ett visst avstånd (mellan 0,05-0,025 mm), och sedan sänks det stelnade lagret i det flytande hartset, och så vidare. Hartset som används är ett fotokänsligt harts, som kommer att bilda ett fast tillstånd efter att ha bestrålats av laserstrålen, och formningsmodellen är snabb och exakt.

DLP - stereolitografigjutningsprocess

DLP digital ljusbehandling, känd som laserformningsteknik. DLP 3D-utskriftsteknik har många likheter med SLA 3D-utskriftsteknik. Om produktion liknas vid att rita en cirkel med en penna, så motsvarar SLA-tekniken att rita lager för lager, medan DLP motsvarar direktstämpling. Den massproduktion vi bedriver har två mycket viktiga punkter, en är effektivitet och den andra är materialkostnad. Det finns en 3D-skrivare som kan skriva ut hundratals gånger snabbare än traditionell tillverkning, det vill säga ansikte mot ansikte-tekniken, som har utvecklats av ett företag i Shenzhen, Light Prism Technology. Det tar 2-5 timmar att skriva ut en ihålig boll med traditionell FDM 3D-utskrift, och det tar en timme som snabbast, men det tar bara cirka 10 minuter att skriva ut med den senaste tekniken ansikte mot ansikte. Utskriftshastigheten är fantastisk. När denna 3D-utskrift väl är på marknaden är effekten på traditionellt hantverk fortfarande stor.

FDM --Fused Deposition Molding Process

Jämfört med DLP- och SLS-teknologier är FDM-tekniken relativt enkel, så den har en stor publik och är lättare att komma in i familjen. Prototypen är direkt konstruerad från 3D CAD-data genom att använda det termoplastiska materialet som ska extruderas till en halvsmält filament, som deponeras på lager-för-lager basis. Fördelarna med FDM-teknik är enkel mekanisk struktur, enkel design, låg tillverkningskostnad, underhållskostnad och materialkostnad, och ingen förorening av miljön. Därför är FDM också den mest använda tekniken i 3D-skrivare för stationära hushåll. Det är en relativt traditionell utskriftsmetod, som inte använder laser och har låg kostnad, men noggrannheten är inte hög och utskriftshastigheten är mycket långsam. Detta är den mest tillgängliga metoden för alla, och den används vanligtvis på utbildningsmarknaden.

Effekten av 3D-utskrift på tillverkning och traditionellt hantverk

Fördelar med 3D-utskrift

(1) Anpassning

Om man tar tandvård som exempel så är allas tänder olika, men 3D-printing kan lösa motsättningen mellan kundanpassad produktion och massproduktion och massproducerar skräddarsydda implantat, hängslen etc.

(2) prov i realtid

På grund av den snabba hastigheten för 3D-utskrift designar designern en version av produkten på morgonen, och ledaren kan se den färdiga produkten vid middagstid, och designar sedan en annan version vid 18-tiden, och kan se den färdiga produkten nästa morgon, vilket kraftigt påskyndar utvecklingen av nya produkters hastighet. Om det inte är särskilt komplicerat kan 3D-utskrift producera färdiga produkter på 3 timmar, medan traditionell korrektur tar 4-6 veckor varje gång, så den totala hastigheten för industriell design förbättras också.

(3) Ingen förorening

 Eftersom de producerade råvarorna alla är miljövänliga är hela produktionsprocessen en föroreningsfri produktion. Det finns ingen förorening av spillgas och avloppsvatten, och inget slöseri med överblivet material.

(4) Dataisering

När den digitala tandvården mognar kommer de tekniska kraven på läkare att minska kraftigt. Patienter behöver bara använda instrumentet för att skanna i två minuter på sjukhuset, och de kan känna till orsakerna och lösningarna på alla tandproblem.

Dessutom kan 3D-utskrift även användas för ortodonti, utskrift av personliga och skräddarsydda transparenta hängslen. Vid plastikkirurgi, ska tänderna röra sig åt vänster eller framåt? Hur många millimeter ska man flytta? Tidigare förlitade sig tandkirurgi enbart på läkarens personliga erfarenhet, men digital tandvård har ökat stabiliteten i operationen och sänkt den tekniska tröskeln för läkare.

(5) Snabbt

 Jämfört med traditionella industriella processer kräver 3D-utskrift inga preliminära förberedelser som arbetskraft och transporter. Den behöver bara maskiner och råvaror, och den kan snabbt sättas i produktion.

(6) Automatisering

 Man kan säga att det bara finns en 3D-skrivare mellan den virtuella fantasin och den verkliga varan. En nyckelproduktion av 3D-utskrift sparar mycket arbetskostnader och mänskliga fel.