Kuidas 3D-printimine töötab?

Üks lisatootmismeetod on 3D-printimine. See on "lisaaine" selle poolest, et see lihtsalt virnastab ja sulatab materjalikihte, et luua tegelikke objekte, selle asemel et vajada materjaliplokki või vormi. See suudab luua keerukamaid geomeetriaid kui "tavalised" tehnoloogiad, see on sageli kiire, sellel on odavad fikseeritud seadistuskulud ja see töötab pidevalt kasvava materjalidega. Inseneritööstus kasutab seda märkimisväärselt, eriti prototüüpide loomisel ja kergete geomeetriate väljatöötamisel.

Lisandite tootmine ja 3D printimine

Mõistet "3D-printimine" seostatakse sageli tootjakultuuri, amatööride ja entusiastide, lauaprinterite, juurdepääsetavate printimistehnikate, nagu FDM, ja odavate materjalidega, nagu ABS ja PLA. Osaliselt on selle põhjuseks RepRapi liikumisest tekkinud taskukohased lauaprinterid, nagu algsed MakerBot ja Ultimaker, mis aitasid kaasa 3D-printimise demokratiseerimisele ja 2009. aasta 3D-printimise buumile.

3D-printimise tehnoloogia: uuendusliku tootmise tulevik

3Dtrükkimineajalugu

3D-printimise kontseptsiooniga tooted said alguse 1970. aastatel. 1981. aastal proovis Jaapani teadlane dr Kodama, kes kirjeldas esimesena kiht-kihilise printimise tootmismeetodit, 3D-printimist ja lõi isiklikult SLA (stereolitograafia) 3D-printimise tehnoloogia-valgustundliku vaigu, mida polümeriseeritakse ultraviolettvalgusega.

Mõni aasta hiljem viis Ameerika teadlane Charles Hull läbi ka põhjaliku uurimistöö SLA tehnoloogia kohta ja esitas 1986. aastal SLA esimese patendi. Asutas 3D Systemsi ja andis 1988. aastal välja oma esimese kommertstoote SLA-1. (allpool olev pilt)

Võib öelda, et SLA on kõige varem välja töötatud 3D-printimise tehnoloogia, nii et millal hiljem SLS (Selective Laser Sintering) ja FDM (Fused Deposition Modeling)

1988. aastal patenteeris ameeriklane Carl Deckard Texase ülikoolis SLS-tehnoloogia, mis on veel üks 3D-printimise tehnika, mille puhul laser sulatab printimiseks pulbriosakesed lokaalselt kokku. Samal aastal taotles Scott Crump, üks Stratasyse asutajatest, patenti sulatatud sadestamise modelleerimisele (FDM). Aastatel 1980–1990 patenteeriti kolm peamist 3D-printimise tehnoloogiat, mis tähistas selle tööstuse kiire arengu perioodi algust. .

Euroopas lõi EOS GmbH 3D-printimiseks disainisüsteemi: süsteemi Stereos. Tänapäeval kasutatakse tema tööstussektoris 3D-prinditud mudeleid kogu maailmas SLS-i 3D-printimise tehnoloogia (Selective Laser Sintering) jaoks tunnustatud plastide ja metallide jaoks.

1992. aastal sai FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printimise tehnoloogia patendi volituse Stratasys, kes töötas välja 3D-printereid, mis vastavad paljude spetsialistide ja eraisikute erinevatele vajadustele.

Aastatel 1993–1999 tekkisid 3D-trükitööstuses erinevad tehnoloogiad. Samal ajal töötati välja üha enam uut CAD-tarkvara ja 3D-modelleerimistarkvara, näiteks Sanders Prototype (praegu nimega Solidscape), mis oli üks esimesi osalejaid.

3D-printimise mitmevälja rakendused

2008. aastal tuli välja esimene 3D-prinditud protees, mis suurendas veelgi 3D-printimise osakaalu meedias. Inimesed leidsid, et 3D-printimisega saab printida mitte ainult traditsioonilisi osi, vaid seda saab kasutada ka inimkeha parandamisel. See hämmastav meditsiiniline 3D-printimise projekt ühendab kõik bioloogilise jäseme osad ja seda saab printida "nagu on" ilma hilisema kokkupanemiseta. Täna koos 3D-skaneerimisega muutuvad 3D-prinditud meditsiinilised proteesid ja ortopeedilised hooldused patsientide vajaduste rahuldamiseks odavamaks ja kiiremaks. Lisaks optimeeritakse neid proteese üha enam ja kohandatakse vastavalt patsiendi morfoloogiale. 3D-printimine pakub uusi võimalusi massiliseks isikupärastamiseks. (lisa pilt)

2009. aastal tulid FDM-i patendid massitarbimise valdkonda, mis avas uue tee FDM-i 3D-printerite ulatuslikule uuendustegevusele. Kuna lauaarvuti 3D-printerite hind langes, sai üha rohkem inimesi pöörata tähelepanu 3D-trükitööstuse arengule.

2013. aastal mainis USA president Barack Obama oma riigikõnes 3D-printimist kui peamist tuleviku tootmisviisi, muutes "3D-printimise" absoluutseks moesõnaks. Nüüd on selle koht avalikkuses väga silmapaistev. Üha rohkem väikeseid ja keskmise suurusega ettevõtteid kasutab ära 3D-printimise pakutavat odavat prototüüpi, integreerides selle täielikult oma iteratsiooni-, innovatsiooni- ja tootmisprotsessidesse.

3D-printimise ideeauto

Mis puutub ehitusrakendustesse, siis 3D-prinditud majad on nüüd reaalsus. Inimesed kolisid 3D prinditud majadesse esimest korda aastal 2018. Maja pindala on 1022 ruutjalga, mis on väga elamisväärne. Kokku kulus printimiseks kaks päeva.

3D-printimise klassifikatsioonisüsteem tootmise ja 3D-printimise sarnasuste ja erinevuste kohta

Võtke näiteks õõnestatud pall. Pinnal on rohkem kui tosin lilli. Kui seda töödeldakse traditsioonilise töötlusega, on see väga tülikas ja mustreid tuleb ükshaaval muuta. Ja kui valite 3D-printimise, siis materjali raiskamist ei toimu, seega on sellel ka nimi, mida nimetatakse additiivseks tootmiseks, mis tähendab, et füüsiliste osade valmistamiseks kasutatakse materjalide järkjärgulise akumuleerimise meetodit. Traditsiooniline meetod on teha esmalt embrüo, seejärel eemaldada liigne materjal ja ülejäänud materjal on vajaliku kujuga. Probleemi tuvastamisel tuleb vorm avada ja seda muuta; Kuigi 3D-printimine kasutab vähehaaval materjali kogunemist, näete valmistoodet kiiresti.

3D printimise tehnoloogia realiseerimine

3D-printimise tehnoloogiat rakendatakse tööstuslikus tootmises. 3D-printimine ei pea kasutama füüsilist objekti, vaid digitaalset mudelit. Kui soovid 3D-printida enda ees olevat pärisobjekti, siis pead selle modelleerimiseks kasutama arvutit või reaalse objekti ehk siis 3D-mudeli digiteerimiseks 3D-skannerit ja saad asjad välja printida juba viieteistkümne minutiga. Praegu on 3D-printimise tehnoloogia jagatud nelja põhikategooriasse: FDM, DLP/SLA ja SLS

SLS – laserpaagutamise vormimisprotsess

SLS on suhteliselt kõrgtehnoloogiline pulber, mis sulab laserkiirguse kõrge temperatuuri tingimustes. Laotage töölauale õhukese pulbri kiht ja skannige laserkiirega kihi ristlõiget, et tõsta temperatuur sulamistemperatuurini, et saavutada paagutamine ja sidumine, korrake pulbri puistamist, paagutamist, lihvimist ja kuivatamist, kuni mudel on moodustatud. Tegelikult on 3D-printimine ikka ja jälle 2D-printimine. Kui viilutate objekti väga õhukeseks, näete, et igal tükil on kuju. Kui kõik kujundid kokku panna, saad kolmemõõtmelise struktuuriobjekti. Seega kasutame graafika joonistamiseks lasereid. SLS-vormitud osade vastupidavus keskkonnale (temperatuurile, niiskusele ja keemilisele korrosioonile) on sarnane termoplastsete materjalidega; samas kui SLA vormitud detailide vastupidavus on suhteliselt halb, siis näiteks epoksüvaiguga vormitud SLA toorikud on vastuvõtlikud niiskusele ja kemikaalidele. Korrosioon, see pehmendab ja kõverdub temperatuuril üle 38°C, kuid vormimistäpsus on kõrge.

SLA – stereolitograafia vormimisprotsess

SLA on valguskõvastuv tehnoloogia, mis on praegu Hiinas suhteliselt välja töötatud. "Stereolitograafia" on see, kui laserkiir visandab vedela vaigu pinnal oleva objekti esimese kihi kuju ja seejärel langetatakse tootmisplatvorm teatud vahemaa võrra (vahemikus 0,05–0,025 mm) ja seejärel kastetakse tahkestunud kiht vedelasse vaiku jne. Kasutatav vaik on valgustundlik vaik, mis pärast laserkiirega kiiritamist moodustab tahke oleku ning vormimismudel on kiire ja täpne.

DLP – stereolitograafia vormimisprotsess

DLP digitaalne valgustöötlus, tuntud kui laservormimistehnoloogia. DLP 3D-printimise tehnoloogial on palju sarnasusi SLA 3D-printimise tehnoloogiaga. Kui tootmist võrrelda pliiatsiga ringi joonistamisega, siis SLA tehnoloogia on samaväärne kiht-kihilt joonistamisega, DLP aga otse tembeldamisega. Masstootmisel, mida me taotleme, on kaks väga olulist punkti, üks on tõhusus ja teine ​​materjalikulu. On olemas 3D-printer, mis suudab printida sadu kordi kiiremini kui traditsiooniline tootmine ehk näost näkku tehnoloogia, mille on välja töötanud Shenzhenis asuv ettevõte Light Prism Technology. Traditsioonilise FDM 3D-printimisega õõnsa palli printimine võtab aega 2–5 tundi ja kõige kiiremini tund aega, kuid uusima näost näkku tehnoloogiaga printimiseks kulub vaid umbes 10 minutit. Trükikiirus on hämmastav. Kui see 3D-printimine turule jõuab, on selle mõju traditsioonilisele käsitööle endiselt suur.

FDM – sulatatud sadestamise vormimisprotsess

Võrreldes DLP- ja SLS-tehnoloogiatega on FDM-tehnoloogia suhteliselt lihtne, seega on sellel palju vaatajaskonda ja seda on lihtsam perre siseneda. Prototüüp on konstrueeritud otse 3D CAD andmetest, kasutades termoplastilist materjali, mis ekstrudeeritakse poolsulaks filamendiks, mis sadestatakse kihtide kaupa. FDM-tehnoloogia eelised on lihtne mehaaniline struktuur, lihtne disain, madalad tootmiskulud, hoolduskulud ja materjalikulud ning keskkonnareostus. Seetõttu on FDM ka kodumajapidamises kasutatavates lauaarvutite 3D-printerites kõige laialdasemalt kasutatav tehnoloogia. See on suhteliselt traditsiooniline printimismeetod, mis ei kasuta laserit ja on madala hinnaga, kuid täpsus pole kõrge ja printimiskiirus on väga aeglane. See on kõigile kõige kättesaadavam meetod ja seda kasutatakse üldiselt haridusturul.

3D-printimise mõju tootmisele ja traditsioonilisele käsitööle

3D-printimise eelised

(1) Kohandamine

Võttes näiteks hambaravi, on igaühe hambad erinevad, kuid 3D-printimine võib lahendada vastuolu kohandatud tootmise ja masstootmise vahel ning masstootmine kohandatud implantaadid, breketid jne.

(2) reaalajas näidis

Tänu 3D-printimise kiirele kiirusele kujundab disainer hommikul toote versiooni ja juht saab valmistoodet näha keskpäeval ning seejärel kell 18.00 kujundab teise versiooni ning järgmisel hommikul näeb valmistoodet, mis kiirendab oluliselt uute toodete väljatöötamise kiirust. Kui see pole eriti keeruline, saab 3D-printimisega valmistooteid toota 3 tunniga, traditsioonilisel proovimisel kulub iga kord 4-6 nädalat, seega paraneb ka tööstusdisaini üldine kiirus.

(3) Reostus puudub

 Kuna toodetud toorained on kõik keskkonnasõbralikud, on kogu tootmisprotsess saastevaba tootmine. Puudub heitgaasi ja reovee reostus ning materjalijääkide raiskamine.

(4) Dataseerimine

Kui digitaalne hambaravi küpseb, vähenevad arstidele esitatavad tehnilised nõuded oluliselt. Patsiendid peavad instrumenti skaneerimiseks kasutama vaid kaks minutit haiglas ning nad saavad teada kõigi hambaprobleemide põhjuseid ja lahendusi.

Lisaks saab 3D-printimist kasutada ka ortodontias, personaliseeritud ja kohandatud läbipaistvate breketite printimisel. Kas ilukirurgia ajal peaksid hambad liikuma vasakule või ette? Mitu millimeetrit liikuda? Varem tugines hambakirurgia ainult arsti isiklikule kogemusele, kuid digitaalne hambaravi on suurendanud operatsiooni stabiilsust ja alandanud arstide tehnilist läve.

(5) Kiire

 Võrreldes traditsiooniliste tööstusprotsessidega ei vaja 3D-printimine eelettevalmistusi, nagu tööjõud ja transport. See vajab ainult masinaid ja toorainet ning selle saab kiiresti tootmisse panna.

(6) Automatiseerimine

 Võib öelda, et virtuaalse kujutlusvõime ja reaalse asja vahel on ainult üks 3D-printer. 3D-printimise ühe võtmega tootmine säästab palju tööjõukulusid ja inimvigu.