3D басып шығару қалай жұмыс істейді?

Қосымша өндіріс әдістерінің бірі - 3D басып шығару. Бұл материал блогын немесе пішінді қажет етпей, нақты нысандарды жасау үшін материалдың қабаттарын жинап, біріктіретін «қоспа» болып табылады. Ол «әдеттегі» технологияларға қарағанда күрделі геометрияларды құрастыра алады, жиі жылдам, орнатудың арзан құны бар және үнемі өсіп келе жатқан материалдар ауқымымен жұмыс істейді. Машина жасау секторы оны, әсіресе жеңіл геометрияларды прототиптеу және дамыту кезінде айтарлықтай пайдаланады.

Қосымша өндіріс және 3D басып шығару

«3D басып шығару» термині көбінесе өндіруші мәдениетімен, әуесқойлар мен энтузиастармен, жұмыс үстелі принтерлерімен, FDM сияқты қол жетімді басып шығару әдістерімен және ABS және PLA сияқты қымбат емес материалдармен байланысты. Бұл ішінара 3D басып шығаруды демократияландыруға және 2009 жылғы 3D басып шығару бумына үлес қосқан түпнұсқа MakerBot және Ultimaker сияқты RepRap қозғалысының нәтижесінде пайда болған қолжетімді жұмыс үстелі принтерлеріне байланысты.

3D басып шығару технологиясы: инновациялық өндірістің болашағы

3Dбасып шығарутарих

3D басып шығару концепті өнімдері 1970 жылдары басталды. 1981 жылы жапондық ғалым доктор Кодама, бірінші болып қабат-қабат басып шығару өндірісінің әдісін сипаттап, 3D басып шығаруды қолданып көрді және SLA (стереолитография) 3D басып шығару технологиясын - ультракүлгін сәулелермен полимерленген фотосезімтал шайырды жеке өзі жасады.

Бірнеше жылдан кейін американдық ғалым Чарльз Халл да SLA технологиясы бойынша терең зерттеулер жүргізді және 1986 жылы SLA бірінші патентін берді. 3D жүйелерін құрды және 1988 жылы өзінің алғашқы коммерциялық өнімі SLA-1 шығарды. (төмендегі сурет)

SLA ең ерте дамыған 3D басып шығару технологиясы деп айтуға болады, сондықтан SLS (Selective Laser Sintering) және FDM (Fused Deposition Modeling) кейінірек қашан пайда болды

1988 жылы американдық Карл Декард Техас университетінде SLS технологиясын патенттеді, бұл лазер басып шығару үшін ұнтақ бөлшектерін жергілікті түрде біріктіретін тағы бір 3D басып шығару әдісі. Сол жылы Stratasys негізін қалаушылардың бірі Скотт Крамп біріктірілген тұндыру моделіне (FDM) патент алуға өтініш берді. 1980 жылдан 1990 жылға дейін 3D басып шығарудың үш негізгі технологиясының барлығы патенттелді, бұл осы саланың қарқынды даму кезеңінің басталғанын білдіреді. .

Еуропада EOS GmbH 3D басып шығаруға арналған дизайн жүйесін жасады: Stereos» жүйесі. Бүгінгі таңда оның өнеркәсіптік сектордағы 3D басып шығарылған үлгілері бүкіл әлемде танымал пластмассалар мен металдарға арналған SLS 3D басып шығару технологиясы (Selective Laser Sintering) үшін қолданылады.

1992 жылы FDM (Fused Deposition Modeling) 3D басып шығару технологиясы патентіне көптеген мамандар мен жеке тұлғалардың әртүрлі қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін 3D принтерлерін әзірлеген Stratasys рұқсат берді.

1993 жылдан 1999 жылға дейін 3D басып шығару индустриясында әртүрлі технологиялар пайда болды. Сонымен қатар, көбірек жаңа CAD бағдарламалық қамтамасыз ету және 3D модельдеуге арналған бағдарламалық қамтамасыз ету әзірленді, мысалы, Sanders Prototype (қазір Solidscape деп аталады), ол жасалған алғашқы қатысушылардың бірі болды.

3D басып шығару көп өрісті қолданбалар

2008 жылы алғашқы 3D басып шығарылған протез шықты, бұл БАҚ-тағы 3D басып шығару үлесін одан әрі арттырды. Адамдар 3D басып шығарудың дәстүрлі бөлшектерді басып шығарып қана қоймай, адам денесін жөндеуге де қолдануға болатындығын анықтады. Бұл таңғажайып медициналық 3D басып шығару жобасы биологиялық мүшенің барлық бөліктерін біріктіреді және оны кейіннен құрастырусыз «сол қалпында» басып шығаруға болады. Бүгінгі таңда 3D сканерлеумен біріктірілген 3D басып шығарылған медициналық протездер мен ортопедиялар пациенттердің қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін арзанырақ және жылдамырақ. Сонымен қатар, бұл протездер барған сайын оңтайландырылған және пациенттің морфологиясына бейімделген. 3D басып шығару жаппай жекелендіру үшін жаңа мүмкіндіктер береді. (сурет қосу)

2009 жыл FDM патенттері жаппай тұтыну саласына енген жыл болды, бұл FDM 3D принтерлерінің ауқымды инновацияларына жаңа жол ашты. Үстелдік 3D принтерлерінің бағасы төмендеген сайын, 3D басып шығару индустриясының дамуына көбірек адамдар назар аудара алды.

2013 жылы АҚШ президенті Барак Обама 3D басып шығаруды Одақтың күйіне жолдауында болашақ өндірістің негізгі түрі ретінде атап өтіп, «3D басып шығаруды» абсолютті сөзге айналдырды. Қазір оның қоғам санасындағы орны ерекше. Көбірек шағын және орта компаниялар 3D басып шығару арқылы ұсынылатын арзан прототиптерді пайдаланып, оны қайталау, инновациялар және өндіріс процестеріне толығымен біріктіруде.

3D басып шығару концепті автомобиль

Құрылыс қолданбаларына келетін болсақ, 3D басып шығарылған үйлер қазір шындыққа айналды. Адамдар 2018 жылы алғаш рет 3D басып шығарылған үйлерге көшті. Үйдің ауданы 1022 шаршы фут, бұл өмір сүруге өте қолайлы. Басып шығаруға барлығы екі күн қажет болды.

Өндіріс пен 3D басып шығару арасындағы ұқсастықтар мен айырмашылықтар бойынша 3D басып шығаруды жіктеу жүйесі

Мысал ретінде ойылған допты алайық. Бетінде оннан астам гүл бар. Егер ол дәстүрлі өңдеу арқылы өңделсе, бұл өте қиын болады және үлгілерді бір-бірлеп өзгерту керек. Ал егер сіз 3D басып шығаруды таңдасаңыз, материалдың қалдықтары болмайды, сондықтан оның қосымша өндіріс деп аталатын атауы да бар, яғни физикалық бөлшектерді жасау үшін материалдарды біртіндеп жинақтау әдісі қолданылады. Дәстүрлі әдіс - алдымен эмбрионды жасау, содан кейін артық материалды алып тастау, ал қалған материал - қажетті пішін. Ақаулық анықталса, пішінді ашып, оны өзгерту қажет; 3D басып шығару материалды біртіндеп жинақтауды пайдаланған кезде, дайын өнімді жылдам көруге болады.

3D басып шығару технологиясын жүзеге асыру

3D басып шығару технологиясы өнеркәсіптік өндірісте қолданылады. 3D басып шығару үшін физикалық нысан емес, цифрлық модельді пайдалану қажет. Алдыңыздағы нақты нысанды 3D басып шығарғыңыз келсе, оны модельдеу үшін компьютерді немесе нақты нысанды, яғни 3D үлгісін цифрлау үшін 3D сканерін пайдалануыңыз керек және заттарды он бес минуттың ішінде басып шығаруға болады. Қазіргі уақытта 3D басып шығару технологиясы төрт негізгі санатқа бөлінеді: FDM, DLP/SLA және SLS

SLS -- лазерлік агломерациялық қалыптау процесі

SLS - лазерлік сәулеленудің жоғары температура жағдайында балқитын салыстырмалы түрде жоғары технологиялық ұнтақ. Жұмыс үстеліне жұқа ұнтақ қабатын жағыңыз және қабаттың көлденең қимасын лазер сәулесінің көмегімен температураны балқу температурасына дейін жоғарылатыңыз, осылайша агломерация мен байланыстыруды жүзеге асырыңыз, ұнтақты таратуды, агломерацияны, ұнтақтауды және үлгі қалыптасқанша кептіруді қайталаңыз. Шын мәнінде, 3D басып шығару - бұл қайта-қайта 2D басып шығару. Егер сіз затты өте жұқа етіп кессеңіз, әр бөліктің пішіні бар екенін көресіз. Егер сіз барлық пішіндерді біріктірсеңіз, сіз үш өлшемді құрылым нысанын аласыз. Сондықтан графиканы салу үшін лазерлерді қолданамыз. SLS пішінделген бөлшектерінің қоршаған ортаға төзімділігі (температура, ылғалдылық және химиялық коррозия) термопластикалық материалдарға ұқсас; ал SLA құйылған бөлшектердің төзімділігі салыстырмалы түрде нашар, мысалы, эпоксидті шайырмен құйылған SLA дайындамалар ылғал мен химиялық заттарға сезімтал. Коррозия, ол 38°C жоғары ортада жұмсартады және деформацияланады, бірақ қалыптау дәлдігі жоғары.

SLA --стереолитографиялық қалыптау процесі

SLA - қазіргі уақытта Қытайда салыстырмалы түрде дамыған жарықпен емдеу технологиясы. «Стереолитография» - бұл лазер сәулесінің сұйық шайыр бетіндегі заттың бірінші қабатының пішінін сызу, содан кейін өндірістік платформаны белгілі бір қашықтыққа (0,05-0,025 мм аралығында) түсіру, содан кейін қатып қалған қабат сұйық шайырға батыру және т.б. Қолданылатын шайыр - бұл лазер сәулесімен сәулеленгеннен кейін қатты күйді құрайтын фотосезімтал шайыр және қалыптастыру моделі жылдам және дәл.

DLP-- стереолитографиялық қалыптау процесі

DLP сандық жарық өңдеу, лазерлік кескіндеу технологиясы ретінде белгілі. DLP 3D басып шығару технологиясының SLA 3D басып шығару технологиясымен көптеген ұқсастықтары бар. Егер өндіріс қарындашпен шеңбер сызумен салыстырылса, SLA технологиясы қабат-қабат сызумен тең, ал DLP тікелей штамптаумен тең. Біз қолға алып жатқан жаппай өндірістің екі өте маңызды тұсы бар, бірі тиімділік, екіншісі – материалдық шығын. Дәстүрлі өндіріске қарағанда жүздеген есе жылдам басып шығара алатын 3D принтері бар, яғни Шэньчжэньдегі Light Prism Technology компаниясы жасаған бетпе-бет технологиясы. Дәстүрлі FDM 3D басып шығарумен қуыс шарды басып шығару 2-5 сағатты алады, ең жылдамы бір сағатты алады, бірақ соңғы бетпе-бет технологиясымен басып шығаруға небәрі 10 минут кетеді. Басып шығару жылдамдығы таңқаларлық. Бұл 3D басып шығару нарыққа шыққаннан кейін, дәстүрлі қолөнерге әсері әлі де керемет.

FDM - Балқытылған тұндыру процесі

DLP және SLS технологияларымен салыстырғанда, FDM технологиясы салыстырмалы түрде қарапайым, сондықтан оның аудиториясы үлкен және отбасына кіру оңайырақ. Прототип қабат-қабат негізінде тұндырылатын жартылай балқытылған жіпке экструдталған термопластикалық материалды пайдалану арқылы 3D CAD деректерінен тікелей жасалған. FDM технологиясының артықшылықтары қарапайым механикалық құрылым, жеңіл дизайн, төмен өндірістік құны, техникалық қызмет көрсету құны және материал құны және қоршаған ортаны ластамайды. Сондықтан FDM сонымен қатар тұрмыстық жұмыс үстелі 3D принтерлерінде ең көп қолданылатын технология болып табылады. Бұл салыстырмалы түрде дәстүрлі басып шығару әдісі, ол лазерді пайдаланбайды және құны төмен, бірақ дәлдігі жоғары емес және басып шығару жылдамдығы өте баяу. Бұл әркім үшін ең қолжетімді әдіс және ол әдетте білім беру нарығында қолданылады.

3D басып шығарудың өндіріс пен дәстүрлі қолөнерге әсері

3D басып шығарудың артықшылықтары

(1) Теңшеу

Мысал ретінде стоматологияны алсақ, әркімнің тістері әртүрлі, бірақ 3D басып шығару тапсырыс бойынша өндіріс пен жаппай өндіріс арасындағы қайшылықты шеше алады, ал жаппай тапсырыс бойынша импланттарды, брекеттерді және т.б. шығарады.

(2) нақты уақыт үлгісі

3D басып шығару жылдамдығы жоғары болғандықтан, дизайнер таңғы уақытта өнімнің нұсқасын жасайды, ал көшбасшы дайын өнімді түсте көре алады, содан кейін кешкі сағат 6-да басқа нұсқасын жасайды, ал келесі күні таңертең дайын өнімді көре алады, бұл жаңа өнімдердің даму жылдамдығын айтарлықтай жылдамдатады. Егер ол аса күрделі болмаса, 3D басып шығару 3 сағатта дайын өнімді шығара алады, ал дәстүрлі тексеру әр жолы 4-6 аптаға созылады, сондықтан өнеркәсіптік дизайнның жалпы жылдамдығы да жақсарады.

(3) Ластану жоқ

 Өндірілген шикізаттың барлығы экологиялық таза болғандықтан, бүкіл өндіріс процесі ластанбаған өндіріс болып табылады. Ағынды газ бен ағынды судың ластануы, қалдықтардың қалдықтары жоқ.

(4) Деректерді беру

Цифрлық стоматология жетілген кезде дәрігерлерге қойылатын техникалық талаптар айтарлықтай төмендейді. Науқастар ауруханада екі минут бойы сканерлеу үшін аспапты қолдануы керек және олар барлық стоматологиялық мәселелердің себептері мен шешімдерін біле алады.

Сонымен қатар, 3D басып шығаруды ортодонтия, жекелендірілген және теңшелген мөлдір жақшаларды басып шығару үшін де пайдалануға болады. Пластикалық операция кезінде тістер солға немесе алға жылжу керек пе? Қанша миллиметрге жылжыту керек? Бұрын тіс хирургиясы тек дәрігердің жеке тәжірибесіне сүйенсе, цифрлық стоматология операцияның тұрақтылығын арттырып, дәрігерлер үшін техникалық шекті төмендетті.

(5) Жылдам

 Дәстүрлі өндірістік процестермен салыстырғанда, 3D басып шығару жұмыс күші мен көлік сияқты алдын ала дайындықты қажет етпейді. Оған тек машиналар мен шикізат керек, оны тез өндіріске енгізуге болады.

(6) Автоматтандыру

 Виртуалды қиял мен шынайы нәрсе арасында бір ғана 3D принтер бар деп айтуға болады. 3D басып шығарудың бір кілтті өндірісі көптеген еңбек шығындарын және адам қателерін үнемдейді.