Kā darbojas 3D druka?

Viena no papildu ražošanas metodēm ir 3D drukāšana. Tas ir "piedeva", jo tas vienkārši sakrauj un sakausē materiāla slāņus, lai izveidotu reālus objektus, nevis nepieciešams materiāla bloks vai veidne. Tas var izveidot sarežģītākas ģeometrijas nekā "parastās" tehnoloģijas, tas bieži ir ātrs, tam ir lētas fiksētas uzstādīšanas izmaksas un tas darbojas ar arvien pieaugošu materiālu klāstu. Inženierzinātņu sektors to plaši izmanto, it īpaši, veidojot prototipus un izstrādājot vieglas ģeometrijas.

Piedevu ražošana un 3D druka

Termins "3D drukāšana" bieži tiek saistīts ar ražotāju kultūru, amatieriem un entuziastiem, galddatoru printeriem, pieejamām drukas metodēm, piemēram, FDM, un lētiem materiāliem, piemēram, ABS un PLA. Tas daļēji ir saistīts ar pieejamiem galddatoru printeriem, kas radās RepRap kustības rezultātā, piemēram, sākotnējais MakerBot un Ultimaker, kas veicināja 3D drukāšanas demokratizāciju un 2009. gada 3D drukāšanas uzplaukumu.

3D drukas tehnoloģija: novatoriskas ražošanas nākotne

3Ddrukāšanavēsture

3D drukāšanas konceptprodukti tika radīti pagājušā gadsimta septiņdesmitajos gados. 1981. gadā japāņu zinātnieks doktors Kodama, kurš pirmais aprakstīja slāņa slāņa drukas ražošanas metodi, izmēģināja 3D drukāšanu un personīgi izveidoja SLA (stereolitogrāfijas) 3D drukas tehnoloģijas gaismjutīgos sveķus, kas polimerizēti ultravioletajā gaismā.

Dažus gadus vēlāk arī amerikāņu zinātnieks Čārlzs Hols veica padziļinātu izpēti par SLA tehnoloģiju un iesniedza pirmo SLA patentu 1986. gadā. Dibināja 3D Systems un 1988. gadā izlaida savu pirmo komerciālo produktu SLA-1. (attēls zemāk)

Var teikt, ka SLA ir agrāk izstrādātā 3D drukas tehnoloģija, tad kad vēlāk parādījās SLS (Selective Laser Sintering) un FDM (Fused Deposition Modeling)

1988. gadā amerikānis Karls Dekars Teksasas Universitātē patentēja SLS tehnoloģiju, kas ir vēl viena 3D drukas tehnika, kurā lāzers lokāli sakausē pulvera daļiņas, lai drukātu. Tajā pašā gadā Skots Kramps, viens no Stratasys dibinātājiem, iesniedza pieteikumu patentam kausētā depozīcijas modelēšanai (FDM). No 1980. līdz 1990. gadam visas trīs galvenās 3D drukāšanas tehnoloģijas tika patentētas, iezīmējot straujas attīstības perioda sākumu šajā nozarē. .

Eiropā uzņēmums EOS GmbH izveidoja dizaina sistēmu 3D drukāšanai: Stereos" sistēmu. Mūsdienās tās 3D drukātie modeļi rūpnieciskajā sektorā tiek izmantoti visā pasaulē SLS 3D drukas tehnoloģijā (Selective Laser Sintering) plastmasām un metāliem, kas atzīti.

1992. gadā FDM (Fused Deposition Modeling) 3D drukas tehnoloģijas patentu apstiprināja Stratasys, kas izstrādāja 3D printerus, lai apmierinātu daudzu profesionāļu un privātpersonu dažādās vajadzības.

No 1993. līdz 1999. gadam 3D drukas industrijā parādījās dažādas tehnoloģijas. Tajā pašā laikā tika izstrādāta arvien jauna CAD programmatūra un 3D modelēšanas programmatūra, piemēram, Sanders Prototype (tagad saukts par Solidscape), kas bija viens no pirmajiem dalībniekiem.

3D drukāšanas daudzlauku lietojumprogrammas

2008. gadā iznāca pirmā 3D drukas protēze, kas vēl vairāk palielināja 3D drukas īpatsvaru medijos. Cilvēki atklāja, ka 3D drukāšana var ne tikai drukāt tradicionālās detaļas, bet arī izmantot cilvēka ķermeņa remontam. Šis apbrīnojamais medicīniskās 3D drukāšanas projekts apvieno visas bioloģiskās ekstremitātes daļas, un to var izdrukāt tādu, kāds tas ir, bez turpmākas montāžas. Mūsdienās kopā ar 3D skenēšanu 3D drukātās medicīniskās protēzes un ortozes kļūst lētākas un ātrākas, lai apmierinātu pacientu vajadzības. Turklāt šīs protēzes arvien vairāk tiek optimizētas un pielāgotas pacienta morfoloģijai. 3D drukāšana sniedz jaunas iespējas masveida personalizēšanai. (pievienot attēlu)

2009. gads bija gads, kad FDM patenti ienāca masu patēriņa jomā, kas pavēra jaunu ceļu plašām FDM 3D printeru inovācijām. Samazinoties galddatoru 3D printeru cenām, arvien vairāk cilvēku varēja pievērst uzmanību 3D drukas nozares attīstībai.

2013. gadā ASV prezidents Baraks Obama savā uzrunā par stāvokli Savienībā minēja 3D drukāšanu kā galveno nākotnes ražošanas veidu, padarot "3D drukāšanu" par absolūtu modes vārdu. Tagad tās vieta sabiedrības apziņā ir ļoti ievērojama. Arvien vairāk mazo un vidējo uzņēmumu izmanto 3D drukas piedāvātās zemo izmaksu prototipēšanas priekšrocības, pilnībā integrējot to savos iterācijas, inovācijas un ražošanas procesos.

3D drukas konceptauto

Ciktāl tas attiecas uz būvniecības lietojumprogrammām, 3D drukas mājas tagad ir realitāte. Cilvēki 3D drukātajās mājās pirmo reizi ievācās 2018. gadā. Mājas platība ir 1022 kvadrātpēdas, kas ir ļoti apdzīvojama. Drukāšana aizņēma pavisam divas dienas.

3D drukas klasifikācijas sistēma par līdzībām un atšķirībām starp ražošanu un 3D drukāšanu

Kā piemēru ņemiet izdobto bumbiņu. Uz virsmas ir vairāk nekā ducis ziedu. Ja to apstrādā ar tradicionālo apstrādi, tas būs ļoti apgrūtinoši, un modeļi ir jāmaina pa vienam. Un, ja izvēlaties 3D drukāšanu, materiāls netiek izšķiests, tāpēc tai ir arī nosaukums, ko sauc par piedevu ražošanu, kas nozīmē, ka fizisko detaļu izgatavošanai tiek izmantota pakāpeniska materiālu uzkrāšanās metode. Tradicionālā metode ir vispirms izveidot embriju, pēc tam noņemt lieko materiālu, un atlikušais materiāls ir vajadzīgā forma. Ja tiek atklāta problēma, nepieciešams atvērt veidni un to pārveidot; kamēr 3D drukāšana pamazām izmanto materiālu uzkrāšanos, jūs varat ātri redzēt gatavo produktu.

3D drukas tehnoloģijas realizācija

3D drukas tehnoloģija tiek pielietota rūpnieciskajā ražošanā. 3D drukāšanai ir jāizmanto nevis fiziskais objekts, bet gan digitālais modelis. Ja vēlaties 3D izdrukāt īsto objektu, kas atrodas jūsu priekšā, tad jums ir jāizmanto dators, lai to modelētu, vai izmantojiet 3D skeneri, lai digitalizētu reālo objektu, tas ir, 3D modeli, un jūs varat izdrukāt lietas pat piecpadsmit minūtēs. Pašlaik 3D drukas tehnoloģija ir sadalīta četrās galvenajās kategorijās: FDM, DLP/SLA un SLS.

SLS - lāzera saķepināšanas formēšanas process

SLS ir salīdzinoši augsto tehnoloģiju pulveris, kas kūst augstas temperatūras lāzera apstarošanas apstākļos. Uz darbgalda izklājiet plāna pulvera kārtu un ar lāzera staru skenējiet slāņa šķērsgriezumu, lai paaugstinātu temperatūru līdz kušanas temperatūrai, lai panāktu saķepināšanu un savienošanu, atkārtojiet pulvera izkliedēšanu, saķepināšanu, slīpēšanu un žāvēšanu, līdz tiek izveidots modelis. Faktiski 3D drukāšana ir 2D drukāšana atkal un atkal. Ja jūs sagriežat objektu ļoti plānā kārtā, jūs atklāsit, ka katram gabalam ir sava forma. Ja jūs saliekat visas formas kopā, jūs iegūstat trīsdimensiju struktūras objektu. Tāpēc grafikas zīmēšanai izmantojam lāzerus. SLS formēto detaļu izturība pret apkārtējo vidi (temperatūra, mitrums un ķīmiskā korozija) ir līdzīga termoplastisku materiālu izturībai; savukārt SLA veidņu detaļu pretestība ir salīdzinoši slikta, piemēram, SLA sagataves, kas veidotas ar epoksīdsveķiem, ir jutīgas pret mitrumu un ķīmiskām vielām. Korozija, tas mīkstinās un deformēsies vidē, kas pārsniedz 38°C, bet formēšanas precizitāte ir augsta.

SLA — stereolitogrāfijas formēšanas process

SLA ir gaismā cietēšanas tehnoloģija, kas pašlaik ir salīdzinoši attīstīta Ķīnā. "Stereolitogrāfija" ir tad, kad lāzera stars iezīmē objekta pirmā slāņa formu uz šķidro sveķu virsmas, un pēc tam ražošanas platforma tiek pazemināta par noteiktu attālumu (starp 0,05-0,025 mm), un pēc tam sacietējušo slāni iegremdē šķidrajos sveķos utt. Izmantotie sveķi ir gaismjutīgi sveķi, kas pēc lāzera stara apstarošanas veidos cietu stāvokli, un formēšanas modelis ir ātrs un precīzs.

DLP - stereolitogrāfijas formēšanas process

DLP digitālā gaismas apstrāde, kas pazīstama kā lāzera veidošanas tehnoloģija. DLP 3D drukas tehnoloģijai ir daudz līdzību ar SLA 3D drukas tehnoloģiju. Ja ražošanu pielīdzina apļa zīmēšanai ar zīmuli, tad SLA tehnoloģija ir līdzvērtīga zīmēšanai slāni pēc slāņa, savukārt DLP ir līdzvērtīga tiešai štancēšanai. Masveida ražošanai, ko mēs īstenojam, ir divi ļoti svarīgi punkti, viens ir efektivitāte, bet otrs ir materiālu izmaksas. Ir 3D printeris, kas var drukāt simtiem reižu ātrāk nekā tradicionālā ražošana, tas ir, aci pret aci tehnoloģija, ko ir izstrādājis uzņēmums Šenžeņā, Light Prism Technology. Dobas bumbiņas drukāšana ar tradicionālo FDM 3D drukāšanu aizņem 2–5 stundas, un ātrākais tas aizņem stundu, bet drukāšanai ar jaunāko tiešās tehnoloģijas tehnoloģiju nepieciešamas tikai aptuveni 10 minūtes. Drukāšanas ātrums ir pārsteidzošs. Kad šī 3D druka būs pieejama tirgū, ietekme uz tradicionālo amatniecību joprojām ir liela.

FDM — kausētais uzklāšanas formēšanas process

Salīdzinot ar DLP un SLS tehnoloģijām, FDM tehnoloģija ir salīdzinoši vienkārša, tāpēc tai ir liela auditorija un vieglāk iekļauties ģimenē. Prototips ir tieši izveidots no 3D CAD datiem, izmantojot termoplastisko materiālu, kas jāekstrudē daļēji izkausētā pavedienā, kas tiek uzklāts pa slāni. FDM tehnoloģijas priekšrocības ir vienkārša mehāniskā struktūra, viegls dizains, zemas ražošanas izmaksas, uzturēšanas izmaksas un materiālu izmaksas, kā arī vides piesārņojums. Tāpēc FDM ir arī visplašāk izmantotā tehnoloģija mājsaimniecības galddatoru 3D printeros. Tā ir salīdzinoši tradicionāla drukas metode, kurā netiek izmantots lāzers un kuras izmaksas ir zemas, taču precizitāte nav augsta un drukas ātrums ir ļoti lēns. Šī ir visiem pieejamākā metode, un to parasti izmanto izglītības tirgū.

3D drukāšanas ietekme uz ražošanu un tradicionālo meistarību

3D drukas priekšrocības

(1) Pielāgošana

Ņemot par piemēru zobārstniecību, katra cilvēka zobi ir atšķirīgi, taču 3D drukāšana var atrisināt pretrunu starp pielāgotu ražošanu un masveida ražošanu, un masveidā tiek ražoti pielāgoti implanti, breketes utt.

(2) paraugs reāllaikā

3D drukas ātrā ātruma dēļ dizaineris izstrādā produkta versiju no rīta, un vadītājs var redzēt gatavo produktu pusdienlaikā, bet pēc tam noformē citu versiju pulksten 18:00, bet gatavo produktu var redzēt nākamajā rītā, kas ievērojami paātrina jaunu produktu izstrādes ātrumu. Ja tas nav īpaši sarežģīti, ar 3D druku gatavo produkciju var izgatavot 3 stundās, savukārt tradicionālā korektūra katru reizi aizņem 4-6 nedēļas, tādējādi tiek uzlabots arī kopējais rūpnieciskā dizaina ātrums.

(3) Nav piesārņojuma

 Tā kā visas saražotās izejvielas ir videi draudzīgas, viss ražošanas process ir ražošana bez piesārņojuma. Nav atgāzu un notekūdeņu piesārņojuma, kā arī materiālu pārpalikumu atkritumiem.

(4) Dataizācija

Kad digitālā zobārstniecība nobriest, tehniskās prasības ārstiem ievērojami samazināsies. Pacientiem slimnīcā ir nepieciešams skenēt tikai divas minūtes, un viņi var zināt visu zobu problēmu cēloņus un risinājumus.

Turklāt 3D drukāšanu var izmantot arī ortodontijai, drukājot personalizētas un pielāgotas caurspīdīgas breketes. Vai plastiskās operācijas laikā zobi jāvirzās pa kreisi vai uz priekšu? Cik milimetrus jāpārvieto? Agrāk zobu ķirurģija balstījās tikai uz ārsta personīgo pieredzi, taču digitālā zobārstniecība ir palielinājusi operācijas stabilitāti un pazeminājusi ārstu tehnisko slieksni.

(5) Ātri

 Salīdzinot ar tradicionālajiem rūpnieciskajiem procesiem, 3D drukāšanai nav nepieciešama iepriekšēja sagatavošanās, piemēram, darbaspēks un transportēšana. Tam vajadzīgas tikai mašīnas un izejmateriāli, un to var ātri laist ražošanā.

(6) Automatizācija

 Var teikt, ka starp virtuālo iztēli un reālo ir tikai viens 3D printeris. 3D drukas izgatavošana ar vienu taustiņu ietaupa daudz darbaspēka izmaksu un cilvēku kļūdas.