Jak działa drukowanie 3D?

Jedną z metod wytwarzania addytywnego jest druk 3D. Jest on „addatywny” w tym sensie, że po prostu układa i łączy warstwy materiału, aby tworzyć rzeczywiste obiekty, zamiast potrzebować bloku materiału lub formy. Pozwala na tworzenie bardziej skomplikowanych geometrii niż technologie „konwencjonalne”, jest często szybki, charakteryzuje się niskimi, stałymi kosztami przygotowania i współpracuje z ciągle rosnącą gamą materiałów. Sektor inżynieryjny wykorzystuje go w szerokim zakresie, zwłaszcza podczas prototypowania i opracowywania lekkich geometrii.

Produkcja addytywna i druk 3D

Termin „druk 3D” często kojarzy się z kulturą twórców, amatorami i entuzjastami, drukarkami stacjonarnymi, dostępnymi technikami druku, takimi jak FDM, oraz niedrogimi materiałami, takimi jak ABS i PLA. Wynika to po części z pojawienia się niedrogich drukarek stacjonarnych w ramach ruchu RepRap, takich jak oryginalny MakerBot i Ultimaker, które przyczyniły się do demokratyzacji druku 3D i boomu na ten rynek w 2009 roku.

Technologia druku 3D: przyszłość innowacyjnej produkcji

3D druk historia

Koncepcje druku 3D pojawiły się w latach 70. XX wieku. W 1981 roku japoński naukowiec dr Kodama, który jako pierwszy opisał metodę druku warstwowego, wypróbował druk 3D i osobiście stworzył technologię druku 3D SLA (stereolitografia) – żywicę światłoczułą polimeryzowaną światłem ultrafioletowym.

Kilka lat później amerykański naukowiec Charles Hull również przeprowadził dogłębne badania nad technologią SLA i w 1986 roku złożył pierwszy patent na SLA. Założył firmę 3D Systems i w 1988 roku wprowadził na rynek swój pierwszy komercyjny produkt – SLA-1. (zdjęcie poniżej)

SLA można uznać za najwcześniej opracowaną technologię druku 3D, kiedy więc później pojawiły się SLS (selektywne spiekanie laserowe) i FDM (modelowanie osadzania topionego materiału)?

W 1988 roku Amerykanin Carl Deckard opatentował na Uniwersytecie Teksańskim technologię SLS, kolejną technikę druku 3D, w której laser miejscowo łączy ze sobą cząsteczki proszku, tworząc wydruki. W tym samym roku Scott Crump, jeden z założycieli Stratasys, złożył wniosek patentowy na technologię osadzania topionego materiału (FDM). W latach 1980–1990 opatentowano wszystkie trzy główne technologie druku 3D, co zapoczątkowało okres dynamicznego rozwoju tej branży.

W Europie firma EOS GmbH stworzyła system projektowania dla druku 3D: system „Stereo”. Obecnie jej modele drukowane w 3D w sektorze przemysłowym są wykorzystywane na całym świecie w technologii druku 3D SLS (Selective Laser Sintering) dla tworzyw sztucznych i metali, która cieszy się uznaniem.

W 1992 roku firma Stratasys zatwierdziła patent na technologię druku 3D FDM (Fused Deposition Modeling), dzięki czemu mogła opracować drukarki 3D, które miały sprostać zróżnicowanym potrzebom wielu profesjonalistów i osób prywatnych.

W latach 1993–1999 w branży druku 3D pojawiły się różne technologie. Jednocześnie opracowywano coraz więcej nowych programów CAD i oprogramowania do modelowania 3D, na przykład Sanders Prototype (obecnie Solidscape), który był jednym z pierwszych projektów realizowanych przez tę branżę.

Wielobranżowe zastosowania druku 3D

W 2008 roku pojawiła się pierwsza proteza wydrukowana w technologii 3D, co jeszcze bardziej zwiększyło udział druku 3D w mediach. Ludzie odkryli, że druk 3D może nie tylko drukować tradycyjne części, ale także znaleźć zastosowanie w naprawie ludzkiego ciała. Ten niesamowity medyczny projekt druku 3D łączy wszystkie części biologicznej kończyny i może być drukowany „tak jak jest”, bez konieczności późniejszego montażu. Obecnie, w połączeniu ze skanowaniem 3D, protezy medyczne i ortezy drukowane w technologii 3D stają się tańsze i szybsze, aby sprostać potrzebom pacjentów. Co więcej, protezy te są coraz bardziej optymalizowane i dostosowywane do morfologii pacjenta. Druk 3D otwiera nowe możliwości masowej personalizacji. (dodaj zdjęcie)

Rok 2009 był rokiem, w którym patenty FDM weszły do ​​powszechnego użytku, otwierając nową drogę dla szeroko zakrojonych innowacji w drukarkach 3D FDM. Wraz ze spadkiem cen stacjonarnych drukarek 3D, coraz więcej osób zwróciło uwagę na rozwój branży druku 3D.

W 2013 roku prezydent USA Barack Obama w swoim orędziu o stanie państwa wspomniał o druku 3D jako o głównym sposobie produkcji przyszłości, co sprawiło, że „druk 3D” stał się niezwykle modnym hasłem. Obecnie jego miejsce w świadomości społecznej jest bardzo ważne. Coraz więcej małych i średnich firm korzysta z możliwości taniego prototypowania, jakie oferuje druk 3D, w pełni integrując go ze swoimi procesami iteracji, innowacji i produkcji.

Samochód koncepcyjny drukowany w 3D

Jeśli chodzi o zastosowania w budownictwie, domy drukowane w technologii 3D stały się rzeczywistością. Ludzie po raz pierwszy wprowadzili się do domów drukowanych w technologii 3D w 2018 roku. Dom ma powierzchnię 1022 stóp kwadratowych (ok. 93 m²), co czyni go bardzo funkcjonalnym. Wydrukowanie go zajęło łącznie dwa dni.

System klasyfikacji druku 3D na podstawie podobieństw i różnic między produkcją a drukiem 3D

Weźmy na przykład wydrążoną kulę. Na jej powierzchni znajduje się ponad tuzin kwiatów. Obróbka metodą tradycyjną będzie bardzo kłopotliwa, a wzory będą musiały być modyfikowane jeden po drugim. A jeśli zdecydujesz się na druk 3D, nie marnujesz materiału, dlatego też nazywa się to wytwarzaniem addytywnym, co oznacza, że ​​do produkcji części fizycznych stosuje się metodę stopniowego gromadzenia materiałów. Tradycyjna metoda polega na tym, że najpierw tworzy się zarodek, a następnie usuwa nadmiar materiału, a pozostały materiał nadaje pożądany kształt. W przypadku wykrycia problemu konieczne jest otwarcie formy i jej modyfikacja; podczas gdy druk 3D wykorzystuje stopniowe gromadzenie materiału, można szybko zobaczyć gotowy produkt.

Realizacja technologii druku 3D

Technologia druku 3D jest stosowana w produkcji przemysłowej. Druk 3D wymaga nie fizycznego obiektu, ale modelu cyfrowego. Aby wydrukować w 3D rzeczywisty obiekt, należy użyć komputera do jego wymodelowania lub skanera 3D do zdigitalizowania rzeczywistego obiektu, czyli modelu 3D. Wydruk można wykonać w zaledwie piętnaście minut. Obecnie technologię druku 3D dzieli się na cztery główne kategorie: FDM, DLP/SLA i SLS.

SLS – proces formowania metodą spiekania laserowego

SLS to stosunkowo zaawansowany technologicznie proszek, który topi się w warunkach wysokiej temperatury napromieniowania laserowego. Rozprowadź cienką warstwę proszku na stole roboczym i zeskanuj przekrój warstwy wiązką lasera, aby podnieść temperaturę do temperatury topnienia, tak aby przeprowadzić spiekanie i wiązanie, powtarzając rozprowadzanie proszku, spiekanie, szlifowanie i suszenie, aż do uformowania modelu. W rzeczywistości drukowanie 3D to ciągłe drukowanie 2D. Jeśli pokroisz obiekt na bardzo cienkie plasterki, przekonasz się, że każdy element ma kształt. Jeśli połączysz wszystkie kształty razem, otrzymasz obiekt o trójwymiarowej strukturze. Dlatego używamy laserów do rysowania grafiki. Odporność elementów formowanych SLS na warunki otoczenia (temperaturę, wilgotność i korozję chemiczną) jest podobna do odporności materiałów termoplastycznych; podczas gdy odporność elementów formowanych SLA jest stosunkowo niska, na przykład elementy formowane SLA z żywicy epoksydowej są wrażliwe na wilgoć i chemikalia. Korozja; w temperaturze powyżej 38°C materiał zmięknie i odkształci się, ale dokładność formowania jest wysoka.

SLA – proces formowania stereolitograficznego

SLA to technologia utwardzania światłem, która jest obecnie stosunkowo rozwinięta w Chinach. „Stereolitografia” polega na tym, że wiązka laserowa obrysowuje kształt pierwszej warstwy obiektu na powierzchni ciekłej żywicy, a następnie platforma produkcyjna jest obniżana o określoną odległość (od 0,05 do 0,025 mm), po czym zestalona warstwa jest zanurzana w ciekłej żywicy i tak dalej. Zastosowana żywica jest światłoczuła, która po naświetleniu wiązką lasera przechodzi w stan stały, a formowany model jest szybki i precyzyjny.

DLP – proces formowania stereolitograficznego

Cyfrowe przetwarzanie światła DLP, znane jako technologia kształtowania laserowego. Technologia druku 3D DLP ma wiele podobieństw do technologii druku 3D SLA. Jeśli produkcję porównać do rysowania koła ołówkiem, to technologia SLA jest odpowiednikiem rysowania warstwa po warstwie, podczas gdy DLP jest odpowiednikiem bezpośredniego tłoczenia. Produkcja masowa, którą realizujemy, ma dwa bardzo ważne punkty: po pierwsze, wydajność, a po drugie, koszt materiałów. Istnieje drukarka 3D, która może drukować setki razy szybciej niż tradycyjna produkcja, czyli technologia face-to-face, opracowana przez firmę Light Prism Technology z Shenzhen. Wydrukowanie pustej kuli za pomocą tradycyjnego druku 3D FDM zajmuje od 2 do 5 godzin, a w najszybszym przypadku godzinę, ale drukowanie za pomocą najnowszej technologii face-to-face zajmuje tylko około 10 minut. Prędkość drukowania jest niesamowita. Po wprowadzeniu druku 3D na rynek, wpływ na tradycyjne rzemiosło będzie nadal ogromny.

FDM – proces formowania metodą osadzania topionego materiału

W porównaniu z technologiami DLP i SLS, technologia FDM jest stosunkowo prosta, dzięki czemu ma szerokie grono odbiorców i łatwiej jest ją wprowadzić do rodziny. Prototyp jest budowany bezpośrednio z danych 3D CAD, wykorzystując materiał termoplastyczny, który jest wytłaczany w półstopiony filament, który jest nakładany warstwa po warstwie. Zaletami technologii FDM są prosta konstrukcja mechaniczna, łatwość projektowania, niskie koszty produkcji, konserwacji i materiałów oraz brak zanieczyszczenia środowiska. Dlatego FDM jest również najczęściej stosowaną technologią w domowych drukarkach 3D. Jest to stosunkowo tradycyjna metoda drukowania, która nie wykorzystuje lasera i jest tania, ale charakteryzuje się niską dokładnością i niską prędkością drukowania. Jest to najbardziej dostępna metoda dla każdego i jest powszechnie stosowana na rynku edukacyjnym.

Wpływ druku 3D na produkcję i tradycyjne rzemiosło

Zalety druku 3D

(1) Personalizacja

Biorąc za przykład stomatologię - zęby każdego człowieka są inne - druk 3D może rozwiązać sprzeczność między produkcją dostosowaną do potrzeb klienta a produkcją masową. Masowa produkcja obejmuje m.in. implanty, aparaty ortodontyczne i inne produkty dostosowane do potrzeb klienta.

(2) próbka w czasie rzeczywistym

Ze względu na dużą prędkość druku 3D, projektant projektuje wersję produktu rano, a kierownik może zobaczyć gotowy produkt w południe, a następnie projektuje kolejną wersję o 18:00 i widzi gotowy produkt następnego ranka, co znacznie przyspiesza proces opracowywania nowych produktów. Jeśli proces nie jest szczególnie skomplikowany, druk 3D pozwala na wyprodukowanie gotowego produktu w ciągu 3 godzin, podczas gdy tradycyjne proofingi trwają 4-6 tygodni, co przekłada się na większą szybkość projektowania przemysłowego.

(3) Brak zanieczyszczeń

 Ponieważ wszystkie produkowane surowce są przyjazne dla środowiska, cały proces produkcyjny jest wolny od zanieczyszczeń. Nie ma zanieczyszczenia gazami odpadowymi i ściekami, ani marnowania resztek materiałów.

(4) Dataizacja

Wraz z rozwojem stomatologii cyfrowej, wymagania techniczne stawiane lekarzom znacznie się zmniejszą. Pacjenci będą musieli jedynie użyć urządzenia do skanowania w szpitalu przez dwie minuty, aby poznać przyczyny i rozwiązania wszystkich problemów stomatologicznych.

Ponadto druk 3D można również wykorzystać w ortodoncji, drukując spersonalizowane i dopasowane przezroczyste aparaty ortodontyczne. Podczas operacji plastycznej zęby powinny być przesunięte w lewo czy do przodu? O ile milimetrów należy je przesunąć? W przeszłości chirurgia stomatologiczna opierała się wyłącznie na osobistym doświadczeniu lekarza, ale stomatologia cyfrowa zwiększyła stabilność operacji i obniżyła próg techniczny dla lekarzy.

(5) Szybko

 W porównaniu z tradycyjnymi procesami przemysłowymi, druk 3D nie wymaga wstępnych przygotowań, takich jak siła robocza i transport. Potrzebne są jedynie maszyny i surowce, a proces produkcyjny można szybko wdrożyć.

(6) Automatyzacja

 Można powiedzieć, że między wirtualną wyobraźnią a rzeczywistością jest tylko jedna drukarka 3D. Produkcja druku 3D przy użyciu jednego klucza pozwala zaoszczędzić sporo kosztów pracy i uniknąć błędów ludzkich.