Як працює 3D-друк?

Одним із методів адитивного виробництва є 3D-друк. Він є «додатковим» у тому, що він просто складає та сплавляє шари матеріалу для створення справжніх об’єктів замість того, щоб потребувати блоку матеріалу чи форми. Він може будувати складніші геометрії, ніж «звичайні» технології, часто швидкий, має низькі фіксовані витрати на налаштування та працює з постійно зростаючим асортиментом матеріалів. Інженерний сектор значною мірою використовує його, особливо при створенні прототипів і розробці легких геометрій.

Адитивне виробництво та 3D друк

Термін «3D-друк» часто пов’язують із культурою виробника, аматорами й ентузіастами, настільними принтерами, доступними методами друку, такими як FDM, і недорогими матеріалами, такими як ABS і PLA. Частково це пов’язано з доступними настільними принтерами, які з’явилися внаслідок руху RepRap, наприклад оригінальними MakerBot і Ultimaker, які сприяли демократизації 3D-друку та буму 3D-друку в 2009 році.

Технологія 3D-друку: майбутнє інноваційного виробництва

3Dдрукісторії

Концепція 3D-друку почалася в 1970-х роках. У 1981 році японський вчений доктор Кодама, який першим описав метод виробництва пошарового друку, спробував 3D-друк і власноруч створив технологію 3D-друку SLA (стереолітографія) — фоточутливу смолу, полімеризовану ультрафіолетовим світлом.

Через кілька років американський вчений Чарльз Халл також провів глибокі дослідження технології SLA і подав перший патент на SLA в 1986 році. Заснував компанію 3D Systems і випустив свій перший комерційний продукт, SLA-1, в 1988 році. (малюнок нижче)

Можна сказати, що SLA – це найперша розроблена технологія 3D-друку, тож коли пізніше з’явилися SLS (селективне лазерне спікання) і FDM (моделювання плавленого осадження)

У 1988 році американець Карл Декард запатентував технологію SLS в Техаському університеті, яка є ще однією технікою 3D-друку, у якій лазер локально сплавляє частинки порошку для друку. У тому ж році Скотт Крамп, один із засновників Stratasys, подав заявку на отримання патенту на моделювання плавленого осадження (FDM). З 1980 по 1990 рік було запатентовано три основні технології 3D-друку, що поклало початок періоду швидкого розвитку цієї галузі. .

У Європі компанія EOS GmbH створила систему проектування для 3D-друку: систему Stereos". Сьогодні її 3D-друковані моделі в промисловому секторі використовуються в усьому світі для технології 3D-друку SLS (Selective Laser Sintering) для пластмас і металів, визнаної в.

У 1992 році патент на технологію 3D-друку FDM (Fused Deposition Modeling) був дозволений компанією Stratasys, яка розробила 3D-принтери для задоволення різноманітних потреб багатьох професіоналів і окремих людей.

З 1993 по 1999 роки в індустрії 3D-друку з’явилися різні технології. У той же час розроблялося все більше і більше нових програм CAD і програмного забезпечення для 3D-моделювання, наприклад, Sanders Prototype (тепер називається Solidscape), який був одним із перших створених учасників.

3D-друк багатопольових програм

У 2008 році вийшов перший протез, надрукований на 3D-друкі, що ще більше збільшило частку 3D-друку в ЗМІ. Люди виявили, що 3D-друк може не тільки друкувати традиційні деталі, але й застосовувати для ремонту людського тіла. Цей дивовижний проект медичного 3D-друку поєднує в собі всі частини біологічної кінцівки та може бути надрукований «як є» без подальшого складання. Сьогодні разом із 3D-скануванням медичні протези та ортопедичні вироби, надруковані на 3D, стають дешевшими та швидшими, щоб задовольнити потреби пацієнтів. Крім того, ці протези все більше оптимізуються та адаптуються до морфології пацієнта. 3D-друк відкриває нові можливості для масової персоналізації. (додати малюнок)

2009 рік став роком, коли патенти FDM увійшли в сферу масового споживання, що відкрило новий шлях для масштабних інновацій 3D-принтерів FDM. Оскільки ціни на настільні 3D-принтери падали, все більше і більше людей мали змогу звернути увагу на розвиток індустрії 3D-друку.

У 2013 році президент США Барак Обама згадав 3D-друк у своїй промові про стан Союзу як основний спосіб виробництва майбутнього, зробивши «3D-друк» абсолютним модним словом. Зараз його місце в суспільній свідомості дуже помітне. Все більше і більше малих і середніх компаній використовують переваги недорогого прототипування, яке забезпечує 3D-друк, повністю інтегруючи його у свої ітераційні, інноваційні та виробничі процеси.

Концепт-кар 3D-друку

Що стосується будівельних застосувань, 3D-друковані будинки тепер є реальністю. Люди вперше переїхали в 3D-друковані будинки в 2018 році. Будинок має площу 1022 квадратних футів, що дуже зручно для проживання. Загалом на друк пішло два дні.

Система класифікації 3D-друку на подібності та відмінності між виробництвом і 3D-друком

Візьмемо, наприклад, видовбану кулю. На поверхні більше десятка квітів. Якщо його обробляти традиційним способом, це буде дуже клопітно, і візерунки доведеться змінювати один за одним. І якщо ви обираєте 3D-друк, ви не витрачаєте матеріал, тому воно також має назву адитивне виробництво, що означає, що метод поступового накопичення матеріалів використовується для виготовлення фізичних деталей. Традиційний метод полягає в тому, щоб спочатку зробити ембріон, потім видалити зайвий матеріал, а залишився матеріал необхідної форми. Якщо виявлено проблему, необхідно відкрити прес-форму та змінити її; хоча 3D-друк використовує потроху накопичення матеріалу, ви можете швидко побачити готовий продукт.

Реалізація технології 3D друку

Технологія 3D друку використовується для промислового виробництва. Для 3D-друку потрібно використовувати не фізичний об’єкт, а цифрову модель. Якщо ви хочете надрукувати 3D-роздруківку реального об’єкта перед вами, вам потрібно використовувати комп’ютер, щоб змоделювати його, або використовувати 3D-сканер, щоб оцифрувати реальний об’єкт, тобто 3D-модель, і ви зможете роздрукувати речі всього за п’ятнадцять хвилин. В даний час технологія 3D-друку поділяється на чотири основні категорії: FDM, DLP/SLA і SLS

SLS-- процес формування методом лазерного спікання

SLS є відносно високотехнологічним порошком, який плавиться в умовах високої температури лазерного опромінення. Розкладіть шар тонкого порошку на верстаку та відскануйте поперечний переріз шару лазерним променем, щоб підвищити температуру до точки плавлення, щоб реалізувати спікання та склеювання, повторіть нанесення порошку, спікання, шліфування та сушіння, доки не буде сформована модель. Насправді 3D-друк - це 2D-друк знову і знову. Якщо ви наріжете предмет дуже тонкими, ви побачите, що кожен шматок має форму. Якщо зібрати всі фігури разом, ви отримаєте тривимірну структуру. Тому ми використовуємо лазери для малювання графіки. Стійкість формованих деталей SLS до навколишнього середовища (температура, вологість і хімічна корозія) подібна до термопластичних матеріалів; тоді як стійкість формованих деталей SLA відносно низька, наприклад, заготовки SLA, формовані з епоксидної смоли, чутливі до вологи та хімічних речовин. Корозія, вона розм'якшується і деформується в середовищі вище 38 ° C, але точність формування висока.

SLA --процес формування стереолітографії

SLA — це технологія світлового затвердіння, яка наразі відносно розвинена в Китаї. «Стереолітографія» — це коли лазерний промінь окреслює форму першого шару об’єкта на поверхні рідкої смоли, а потім виробничу платформу опускають на певну відстань (між 0,05-0,025 мм), а потім затверділий шар занурюють у рідку смолу тощо. Використовувана смола є світлочутливою смолою, яка утворює твердий стан після опромінення лазерним променем, а модель формування є швидкою та точною.

DLP-- процес формування стереолітографії

Цифрова обробка світла DLP, відома як технологія лазерного формування. Технологія 3D-друку DLP має багато схожості з технологією 3D-друку SLA. Якщо виробництво порівняти з малюванням кола олівцем, то технологія SLA еквівалентна малюнку шар за шаром, тоді як DLP еквівалентна безпосередньому штампуванню. Масове виробництво, яке ми прагнемо, має два дуже важливі моменти: один — ефективність, а інший — вартість матеріалів. Існує 3D-принтер, який може друкувати в сотні разів швидше, ніж традиційне виробництво, тобто технологія обличчям до обличчя, розроблена компанією Light Prism Technology у Шеньчжені. Щоб надрукувати порожнисту кулю за допомогою традиційного 3D-друку FDM, потрібно 2-5 годин, а найшвидше це займає годину, але для друку за допомогою новітньої технології «лицем до лиця» потрібно лише близько 10 хвилин. Швидкість друку вражає. Після того, як цей 3D-друк з'явиться на ринку, вплив на традиційні ремесла все ще великий.

FDM – процес формування методом плавленого осадження

У порівнянні з технологіями DLP і SLS технологія FDM відносно проста, тому має велику аудиторію і легше входить в сім'ю. Прототип створено безпосередньо з даних 3D CAD за допомогою термопластичного матеріалу, який екструдується в напіврозплавлену нитку, яка наноситься шар за шаром. Перевагами технології FDM є проста механічна конструкція, легкий дизайн, низька вартість виробництва, вартість обслуговування та вартість матеріалів, а також відсутність забруднення навколишнього середовища. Тому FDM також є найбільш широко використовуваною технологією в домашніх настільних 3D-принтерах. Це відносно традиційний метод друку, який не використовує лазер і має низьку вартість, але точність не висока, а швидкість друку дуже низька. Це найдоступніший спосіб для всіх і широко використовується на освітньому ринку.

Вплив 3D-друку на виробництво та традиційне ремесло

Переваги 3D друку

(1) Налаштування

Якщо взяти як приклад стоматологію, зуби у всіх різні, але 3D-друк може вирішити суперечність між індивідуальним виробництвом і масовим виробництвом, і масове виробництво індивідуальних імплантатів, брекетів тощо.

(2) вибірка в реальному часі

Через високу швидкість 3D-друку дизайнер розробляє версію продукту вранці, а лідер може побачити готовий продукт опівдні, а потім розробляє ще одну версію о 6 вечора, і може побачити готовий продукт наступного ранку, що значно прискорює швидкість розробки нових продуктів. Якщо це не особливо складно, 3D-друк може виготовити готову продукцію за 3 години, тоді як традиційна перевірка займає 4-6 тижнів кожен раз, тому загальна швидкість промислового дизайну також покращується.

(3) Відсутність забруднення

 Оскільки вся вироблена сировина є екологічно чистою, весь виробничий процес є виробництвом без забруднення. Немає забруднення відпрацьованим газом і стічної води, а також відходів залишків матеріалів.

(4) Dataization

Коли цифрова стоматологія розвивається, технічні вимоги до лікарів значно зменшаться. Пацієнтам достатньо використовувати інструмент для сканування протягом двох хвилин у лікарні, і вони зможуть знати причини та рішення всіх стоматологічних проблем.

Крім того, 3D-друк також можна використовувати для ортодонтії, друкуючи персоналізовані та індивідуальні прозорі брекети. Під час пластики зуби повинні зміщуватися вліво або вперед? На скільки міліметрів переміститися? У минулому стоматологічна хірургія покладалася виключно на особистий досвід лікаря, але цифрова стоматологія підвищила стабільність операції та знизила технічний поріг для лікарів.

(5) Швидко

 У порівнянні з традиційними промисловими процесами, 3D-друк не вимагає попередньої підготовки, такої як робоча сила та транспорт. Для цього потрібні лише машини та сировина, і його можна швидко запустити у виробництво.

(6) Автоматизація

 Можна сказати, що між віртуальною уявою та реальністю є лише один 3D-принтер. Виробництво 3D-друку за допомогою одного ключа значно заощаджує трудовитрати та людські помилки.