3D-printen
Hoe werkt 3D-printen?
Eén additieve productiemethode is 3D-printen. Het is "additief" in die zin dat het simpelweg lagen materiaal stapelt en samenvoegt om daadwerkelijke objecten te creëren in plaats van dat er een blok materiaal of een mal nodig is. Het kan ingewikkeldere geometrieën bouwen dan "conventionele" technologieën, is vaak snel, heeft goedkope vaste opstartkosten en werkt met een steeds groter wordend scala aan materialen. De technische sector maakt er substantieel gebruik van, met name bij het maken van prototypes en het ontwikkelen van lichtgewicht geometrieën.
Additieve productie en 3D-printen
De term "3D-printen" wordt vaak in verband gebracht met makercultuur, amateurs en liefhebbers, desktopprinters, toegankelijke printtechnieken zoals FDM en goedkope materialen zoals ABS en PLA. Dit komt deels door de betaalbare desktopprinters die voortkwamen uit de RepRap-beweging, zoals de originele MakerBot en Ultimaker, die bijdroegen aan de democratisering van 3D-printen en de 3D-printboom van 2009.
3D-printtechnologie: de toekomst van innovatieve productie
3Dafdrukkengeschiedenis
3D-printconceptproducten begonnen in de jaren 70. In 1981 probeerde de Japanse wetenschapper Dr. Kodama, die als eerste de laag-voor-laag printproductiemethode beschreef, 3D-printen uit en creëerde hij persoonlijk de SLA (stereolithografie) 3D-printtechnologie - lichtgevoelige hars gepolymeriseerd door ultraviolet licht.
Een paar jaar later deed de Amerikaanse wetenschapper Charles Hull ook diepgaand onderzoek naar de technologie van SLA en diende in 1986 het eerste patent voor SLA in. Hij richtte 3D Systems op en bracht in 1988 zijn eerste commerciële product uit, de SLA-1. (foto hieronder)
SLA kan worden beschouwd als de vroegst ontwikkelde 3D-printtechnologie, dus wanneer kwamen SLS (Selective Laser Sintering) en FDM (Fused Deposition Modeling) later?
In 1988 patenteerde de Amerikaan Carl Deckard de SLS-technologie aan de Universiteit van Texas, een andere 3D-printtechniek waarbij een laser lokaal poederdeeltjes samensmelt om te printen. In hetzelfde jaar vroeg Scott Crump, een van de oprichters van Stratasys, een patent aan voor fused deposition modeling (FDM). Van 1980 tot 1990 werden de drie belangrijkste technologieën van 3D-printen allemaal gepatenteerd, wat het begin markeerde van een periode van snelle ontwikkeling in deze industrie. .
In Europa heeft EOS GmbH een ontwerpsysteem voor 3D-printen gecreëerd: het Stereos"-systeem. Tegenwoordig worden de 3D-geprinte modellen in de industriële sector wereldwijd gebruikt voor SLS 3D-printtechnologie (Selective Laser Sintering) voor kunststoffen en metalen die erkend zijn in.
In 1992 werd het patent op de FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printtechnologie verleend door Stratasys, dat 3D-printers ontwikkelde om te voldoen aan de verschillende behoeften van veel professionals en particulieren.
Van 1993 tot 1999 ontstonden er verschillende technologieën in de 3D-printindustrie. Tegelijkertijd werden er steeds meer nieuwe CAD-software en 3D-modelleringssoftware ontwikkeld, bijvoorbeeld Sanders Prototype (nu Solidscape), een van de eerste deelnemers die dit creëerde.
3D-printen: toepassingen in meerdere vakgebieden
In 2008 kwam de eerste 3D-geprinte prothese uit, wat het aandeel van 3D-printen in de media verder deed toenemen. Mensen ontdekten dat 3D-printen niet alleen traditionele onderdelen kan printen, maar ook kan worden toegepast op het repareren van het menselijk lichaam. Dit verbazingwekkende medische 3D-printproject combineert alle onderdelen van een biologisch ledemaat en kan "zoals het is" worden geprint zonder enige verdere assemblage. Tegenwoordig worden 3D-geprinte medische prothesen en orthesen, gecombineerd met 3D-scannen, goedkoper en sneller om aan de behoeften van patiënten te voldoen. Bovendien worden deze prothesen steeds meer geoptimaliseerd en aangepast aan de morfologie van de patiënt. 3D-printen biedt nieuwe mogelijkheden voor massapersonalisatie. (afbeelding toevoegen)
2009 was het jaar dat FDM-patenten het massaconsumptieveld betraden, wat een nieuw pad opende voor uitgebreide innovatie van FDM 3D-printers. Naarmate de prijs van desktop 3D-printers daalde, konden steeds meer mensen aandacht besteden aan de ontwikkeling van de 3D-printindustrie.
In 2013 noemde de Amerikaanse president Barack Obama 3D-printen in zijn State of the Union-toespraak als de belangrijkste productiemethode van de toekomst, waardoor "3D-printen" een absoluut modewoord werd. Nu is het een prominente plek in het publieke bewustzijn. Steeds meer kleine en middelgrote bedrijven maken gebruik van de goedkope prototyping die 3D-printen biedt en integreren het volledig in hun iteratie-, innovatie- en productieprocessen.
3D-geprinte conceptauto
Wat betreft bouwtoepassingen zijn 3D-geprinte huizen nu realiteit. Mensen verhuisden voor het eerst in 2018 naar 3D-geprinte huizen. Het huis heeft een oppervlakte van 1022 vierkante voet, wat zeer leefbaar is. Het duurde in totaal twee dagen om te printen.
Het classificatiesysteem van 3D-printen over de overeenkomsten en verschillen tussen productie en 3D-printen
Neem bijvoorbeeld de uitgeholde bal. Er zitten meer dan een dozijn bloemen op het oppervlak. Als het op traditionele wijze wordt bewerkt, is het erg lastig en moeten de patronen één voor één worden aangepast. En als u kiest voor 3D-printen, is er geen materiaalverspilling, dus het heeft ook een naam die additieve productie wordt genoemd, wat betekent dat de methode van geleidelijke accumulatie van materialen wordt gebruikt om fysieke onderdelen te vervaardigen. De traditionele methode is om eerst het embryo te maken, vervolgens het overtollige materiaal te verwijderen en het resterende materiaal de vereiste vorm te geven. Als er een probleem wordt gedetecteerd, is het noodzakelijk om een mal te openen en deze aan te passen; terwijl 3D-printen beetje bij beetje materiaalaccumulatie gebruikt, kunt u snel het eindproduct zien.
Realisatie van 3D-printtechnologie
3D-printtechnologie wordt toegepast op industriële productie. Wat 3D-printen nodig heeft, is niet het fysieke object, maar het digitale model. Als u het echte object voor u wilt 3D-printen, moet u een computer gebruiken om het te modelleren, of een 3D-scanner gebruiken om het echte object te digitaliseren, dat wil zeggen, een 3D-model, en u kunt dingen in slechts vijftien minuten printen. Momenteel is 3D-printtechnologie onderverdeeld in vier hoofdcategorieën: FDM, DLP/SLA en SLS
SLS - lasersintergietproces
SLS is een relatief hightech poeder dat smelt onder hoge temperatuuromstandigheden van laserbestraling. Verspreid een laag dun poeder op de werkbank en scan de doorsnede van de laag met de laserstraal om de temperatuur te verhogen tot het smeltpunt, om sinteren en binden te realiseren, herhaal het verspreiden van poeder, sinteren, slijpen en drogen totdat het model is gevormd. In feite is 3D-printen 2D-printen keer op keer. Als je een object heel dun snijdt, zul je zien dat elk stuk een vorm heeft. Als je alle vormen bij elkaar zet, krijg je een driedimensionaal structuurobject. Dus gebruiken we lasers om afbeeldingen te tekenen. De weerstand van SLS-gegoten onderdelen tegen de omgeving (temperatuur, vochtigheid en chemische corrosie) is vergelijkbaar met die van thermoplastische materialen; terwijl de weerstand van SLA-gegoten onderdelen relatief slecht is, bijvoorbeeld, SLA-werkstukken gegoten met epoxyhars zijn gevoelig voor vocht en chemicaliën. Corrosie, het zal zacht worden en kromtrekken in een omgeving boven 38 °C, maar de vormingsnauwkeurigheid is hoog.
SLA - stereolithografisch gietproces
SLA is een lichtuithardende technologie, die momenteel relatief ontwikkeld is in China. "Stereolithografie" is wanneer de laserstraal de eerste laagvorm van het object op het oppervlak van de vloeibare hars schetst, en vervolgens wordt het productieplatform verlaagd met een bepaalde afstand (tussen 0,05-0,025 mm), en vervolgens wordt de gestolde laag ondergedompeld in de vloeibare hars, enzovoort. De gebruikte hars is een lichtgevoelige hars, die een vaste toestand zal vormen na bestraling door de laserstraal, en het vormmodel is snel en nauwkeurig.
DLP - stereolithografie-gietproces
DLP digitale lichtverwerking, bekend als laservormgevingstechnologie. DLP 3D-printtechnologie heeft veel overeenkomsten met SLA 3D-printtechnologie. Als productie wordt vergeleken met het tekenen van een cirkel met een potlood, dan is SLA-technologie gelijk aan het tekenen van laag voor laag, terwijl DLP gelijk is aan direct stempelen. De massaproductie die we nastreven heeft twee zeer belangrijke punten, één is efficiëntie en de andere zijn materiaalkosten. Er is een 3D-printer die honderden keren sneller kan printen dan traditionele productie, dat wil zeggen de face-to-face-technologie, die is ontwikkeld door een bedrijf in Shenzhen, Light Prism Technology. Het duurt 2-5 uur om een holle bal te printen met traditioneel FDM 3D-printen, en het duurt een uur op zijn snelst, maar het duurt slechts ongeveer 10 minuten om te printen met de nieuwste face-to-face-technologie. De printsnelheid is verbazingwekkend. Zodra dit 3D-printen op de markt is, is de impact op traditioneel handwerk nog steeds groot.
FDM - Fused Deposition Molding-proces
Vergeleken met DLP- en SLS-technologieën is FDM-technologie relatief eenvoudig, dus het heeft een groot publiek en is gemakkelijker om in de familie te komen. Het prototype wordt rechtstreeks geconstrueerd uit de 3D CAD-gegevens door het thermoplastische materiaal te gebruiken om te worden geëxtrudeerd tot een halfgesmolten filament, dat laag voor laag wordt afgezet. De voordelen van FDM-technologie zijn een eenvoudige mechanische structuur, eenvoudig ontwerp, lage productiekosten, onderhoudskosten en materiaalkosten, en geen vervuiling van het milieu. Daarom is FDM ook de meest gebruikte technologie in huishoudelijke desktop 3D-printers. Het is een relatief traditionele printmethode, die geen laser gebruikt en lage kosten heeft, maar de nauwkeurigheid is niet hoog en de printsnelheid is erg langzaam. Dit is de meest toegankelijke methode voor iedereen en wordt over het algemeen gebruikt in de onderwijsmarkt.
De impact van 3D-printen op productie en traditioneel vakmanschap
Voordelen van 3D-printen
(1) Aanpassing
Neem bijvoorbeeld de tandheelkunde: ieder gebit is anders. Met 3D-printen kan de tegenstelling tussen maatwerkproductie en massaproductie worden opgelost. Op maat gemaakte implantaten, beugels en dergelijke kunnen nu massaal worden geproduceerd.
(2) voorbeeld realtime
Vanwege de hoge snelheid van 3D-printen ontwerpt de ontwerper 's ochtends een versie van het product, en de leider kan het eindproduct 's middags zien, en ontwerpt vervolgens om 18:00 uur een andere versie, en kan het eindproduct de volgende ochtend zien, wat de snelheid van de ontwikkeling van nieuwe producten enorm versnelt. Als het niet bijzonder ingewikkeld is, kan 3D-printen afgewerkte producten in 3 uur produceren, terwijl traditioneel proefdrukken telkens 4-6 weken duurt, dus de algehele snelheid van industrieel ontwerp wordt ook verbeterd.
(3) Geen vervuiling
Omdat de geproduceerde grondstoffen allemaal milieuvriendelijk zijn, is het hele productieproces een vervuilingsvrije productie. Er is geen vervuiling van afvalgas en afvalwater, en geen verspilling van overgebleven materialen.
(4) Dataïsering
Wanneer digitale tandheelkunde volwassen wordt, zullen de technische vereisten voor artsen sterk worden verminderd. Patiënten hoeven het instrument slechts twee minuten te gebruiken om te scannen in het ziekenhuis, en ze kunnen de oorzaken en oplossingen van alle tandheelkundige problemen kennen.
Daarnaast kan 3D-printen ook worden gebruikt voor orthodontie, waarbij gepersonaliseerde en aangepaste transparante beugels worden geprint. Moeten de tanden tijdens plastische chirurgie naar links of naar voren worden verplaatst? Hoeveel millimeter moeten ze worden verplaatst? Vroeger vertrouwde tandheelkundige chirurgie uitsluitend op de persoonlijke ervaring van de arts, maar digitale tandheelkunde heeft de stabiliteit van de operatie vergroot en de technische drempel voor artsen verlaagd.
(5) Snel
Vergeleken met traditionele industriële processen, vereist 3D-printen geen voorafgaande voorbereidingen zoals mankracht en transport. Het heeft alleen machines en grondstoffen nodig en kan snel in productie worden genomen.
(6) Automatisering
Je kunt wel zeggen dat er maar één 3D-printer tussen de virtuele verbeelding en het echte werk zit. De one-key productie van 3D-printen bespaart veel arbeidskosten en menselijke fouten.