3D yazıcı nasıl çalışır?

Katmanlı üretim yöntemlerinden biri de 3D baskıdır. "Katmanlı" olmasının nedeni, bir malzeme bloğuna veya kalıba ihtiyaç duymak yerine, gerçek nesneler oluşturmak için malzeme katmanlarını üst üste yığıp birleştirmesidir. "Geleneksel" teknolojilere göre daha karmaşık geometriler oluşturabilir, genellikle hızlıdır, düşük sabit kurulum maliyetlerine sahiptir ve sürekli artan bir malzeme yelpazesiyle çalışır. Mühendislik sektörü, özellikle prototipleme ve hafif geometriler geliştirme aşamasında, bu teknolojiden önemli ölçüde yararlanmaktadır.

Katmanlı üretim ve 3 boyutlu baskı

"3D baskı" terimi sıklıkla üretici kültürü, amatörler ve meraklılar, masaüstü yazıcılar, FDM gibi erişilebilir baskı teknikleri ve ABS ve PLA gibi ucuz malzemelerle ilişkilendirilir. Bu durum kısmen, 3D baskının demokratikleşmesine ve 2009'daki 3D baskı patlamasına katkıda bulunan orijinal MakerBot ve Ultimaker gibi RepRap hareketinden ortaya çıkan uygun fiyatlı masaüstü yazıcılardan kaynaklanmaktadır.

3D Baskı Teknolojisi: Yenilikçi Üretimin Geleceği

3D baskı tarih

3D baskı konseptli ürünler 1970'lerde ortaya çıktı. 1981'de, katman katman baskı üretim yöntemini ilk tanımlayan Japon bilim insanı Dr. Kodama, 3D baskıyı denedi ve ultraviyole ışıkla polimerize edilen ışığa duyarlı reçine olan SLA (stereolitografi) 3D baskı teknolojisini bizzat geliştirdi.

Birkaç yıl sonra, Amerikalı bilim insanı Charles Hull da SLA teknolojisi üzerine kapsamlı araştırmalar yaptı ve 1986'da SLA'nın ilk patentini aldı. 3D Systems şirketini kurdu ve 1988'de ilk ticari ürünü olan SLA-1'i piyasaya sürdü. (aşağıdaki resim)

SLA, geliştirilen en eski 3D baskı teknolojisi olarak kabul edilebilir; peki daha sonra geliştirilen SLS (Seçici Lazer Sinterleme) ve FDM (Eritilmiş Katmanlı Modelleme) ne zaman ortaya çıktı?

1988'de Amerikalı Carl Deckard, Teksas Üniversitesi'nde SLS teknolojisinin patentini aldı; bu, lazerin toz parçacıklarını yerel olarak bir araya getirerek baskı yaptığı başka bir 3D baskı tekniğidir. Aynı yıl, Stratasys'in kurucularından Scott Crump, eriyik biriktirme modellemesi (FDM) için patent başvurusunda bulundu. 1980'den 1990'a kadar, 3D baskının üç ana teknolojisinin de patenti alındı ​​ve bu, sektörde hızlı bir gelişme döneminin başlangıcını işaret etti.

Avrupa'da EOS GmbH, 3 boyutlu baskı için bir tasarım sistemi olan "Stereos" sistemini geliştirdi. Bugün, endüstriyel sektörde kullanılan 3 boyutlu baskı modelleri, plastik ve metaller için SLS (Seçici Lazer Sinterleme) 3 boyutlu baskı teknolojisinde dünya çapında kabul görmektedir.

1992 yılında, çeşitli profesyonellerin ve bireylerin farklı ihtiyaçlarını karşılamak üzere 3 boyutlu yazıcılar geliştiren Stratasys tarafından FDM (Fused Deposition Modeling) 3 boyutlu baskı teknolojisi patenti onaylandı.

1993'ten 1999'a kadar 3D baskı sektöründe çeşitli teknolojiler ortaya çıktı. Aynı zamanda, örneğin ilk katılımcılardan biri olan Sanders Prototype (şimdiki adıyla Solidscape) gibi giderek daha fazla yeni CAD yazılımı ve 3D modelleme yazılımı geliştirildi.

3D baskının çok alanlı uygulamaları

2008 yılında ilk 3 boyutlu yazıcıyla üretilen protez ortaya çıktı ve bu da 3 boyutlu yazıcı teknolojisinin medyada daha fazla yer bulmasını sağladı. İnsanlar, 3 boyutlu yazıcı teknolojisinin sadece geleneksel parçaları basmakla kalmayıp, insan vücudu onarımında da kullanılabileceğini keşfetti. Bu inanılmaz tıbbi 3 boyutlu yazıcı projesi, biyolojik bir uzvun tüm parçalarını bir araya getiriyor ve herhangi bir sonradan montaj gerektirmeden "olduğu gibi" basılabiliyor. Bugün, 3 boyutlu tarama ile birleşen 3 boyutlu yazıcıyla üretilen tıbbi protezler ve ortezler, hastaların ihtiyaçlarını karşılamak için daha ucuz ve daha hızlı hale geliyor. Dahası, bu protezler giderek daha fazla optimize ediliyor ve hastanın morfolojisine uyarlanıyor. 3 boyutlu yazıcı teknolojisi, kitlesel kişiselleştirme için yeni fırsatlar sunuyor. (resim ekle)

2009 yılı, FDM patentlerinin kitlesel tüketim alanına girdiği ve FDM 3D yazıcıların kapsamlı inovasyonu için yeni bir yol açtığı yıl oldu. Masaüstü 3D yazıcıların fiyatı düştükçe, giderek daha fazla insan 3D baskı endüstrisinin gelişimine dikkat etmeye başladı.

2013 yılında ABD Başkanı Barack Obama, Birliğin Durumu konuşmasında 3D baskıyı geleceğin ana üretim yöntemi olarak nitelendirerek "3D baskı"yı son derece popüler bir kavram haline getirdi. Şimdi ise kamuoyunda oldukça belirgin bir yere sahip. Giderek daha fazla küçük ve orta ölçekli şirket, 3D baskının sağladığı düşük maliyetli prototiplemeden yararlanarak, bunu yineleme, inovasyon ve üretim süreçlerine tamamen entegre ediyor.

3D baskı konsept otomobil

İnşaat uygulamaları söz konusu olduğunda, 3 boyutlu yazıcıyla üretilen evler artık bir gerçeklik. İnsanlar ilk kez 2018 yılında 3 boyutlu yazıcıyla üretilen evlere taşındı. 1022 metrekarelik bu ev, oldukça yaşanabilir bir alana sahip ve baskısı toplam iki gün sürdü.

3D baskının sınıflandırma sistemi: Üretim ve 3D baskı arasındaki benzerlikler ve farklılıklar

Örneğin, içi boşaltılmış bir topu ele alalım. Yüzeyinde bir düzineden fazla çiçek deseni var. Geleneksel işleme yöntemleriyle işlenirse çok zahmetli olur ve desenlerin tek tek değiştirilmesi gerekir. 3D baskıyı seçerseniz, malzeme israfı olmaz, bu nedenle eklemeli üretim olarak da adlandırılır; yani fiziksel parçaları üretmek için malzemelerin kademeli olarak biriktirilmesi yöntemi kullanılır. Geleneksel yöntemde önce embriyo oluşturulur, ardından fazla malzeme çıkarılır ve kalan malzeme istenen şekli alır. Bir sorun tespit edilirse, kalıbı açıp değiştirmek gerekir; oysa 3D baskı, azar azar malzeme biriktirme yöntemini kullanarak bitmiş ürünü hızlı bir şekilde görmenizi sağlar.

3D baskı teknolojisinin gerçekleştirilmesi

3D baskı teknolojisi endüstriyel üretimde uygulanmaktadır. 3D baskı için gereken şey fiziksel nesne değil, dijital modeldir. Önünüzdeki gerçek nesneyi 3D olarak yazdırmak istiyorsanız, onu modellemek için bir bilgisayar kullanmalı veya gerçek nesneyi dijitalleştirmek için bir 3D tarayıcı kullanmalısınız, yani bir 3D model oluşturmalısınız ve bu şekilde on beş dakika gibi kısa bir sürede baskı alabilirsiniz. Şu anda 3D baskı teknolojisi dört ana kategoriye ayrılmaktadır: FDM, DLP/SLA ve SLS.

SLS -- lazer sinterleme kalıplama işlemi

SLS, lazer ışınlamasının yüksek sıcaklık koşullarında eriyen nispeten yüksek teknolojili bir tozdur. Çalışma tezgahına ince bir toz tabakası yayılır ve tabakanın kesiti lazer ışınıyla taranarak sıcaklık erime noktasına yükseltilir, böylece sinterleme ve bağlama gerçekleştirilir; model oluşana kadar toz yayma, sinterleme, öğütme ve kurutma işlemleri tekrarlanır. Aslında, 3D baskı, 2D baskının tekrar tekrar yapılmasıdır. Bir nesneyi çok ince dilimlerseniz, her parçanın bir şekle sahip olduğunu görürsünüz. Tüm şekilleri bir araya getirirseniz, üç boyutlu bir yapı nesnesi elde edersiniz. Bu nedenle, grafik çizmek için lazerler kullanıyoruz. SLS kalıplama parçalarının çevreye (sıcaklık, nem ve kimyasal korozyon) karşı direnci, termoplastik malzemelere benzer; SLA kalıplama parçalarının direnci ise nispeten zayıftır, örneğin, epoksi reçine ile kalıplanmış SLA iş parçaları neme ve kimyasallara karşı hassastır. Korozyon nedeniyle 38°C'nin üzerindeki ortamlarda yumuşar ve şekli bozulur, ancak şekillendirme hassasiyeti yüksektir.

SLA --stereolitografi kalıplama işlemi

SLA, şu anda Çin'de nispeten gelişmiş bir ışıkla sertleştirme teknolojisidir. "Stereolitografi", lazer ışınının sıvı reçine yüzeyinde nesnenin ilk katman şeklini çizmesi, ardından üretim platformunun belirli bir mesafeye (0,05-0,025 mm arasında) indirilmesi ve daha sonra katılaşmış katmanın sıvı reçineye daldırılması ve benzeri işlemlerden oluşur. Kullanılan reçine, lazer ışınıyla ışınlandıktan sonra katı hale gelen ışığa duyarlı bir reçinedir ve şekillendirme modeli hızlı ve hassastır.

DLP -- stereolitografi kalıplama işlemi

DLP (Dijital Işık İşleme), lazer şekillendirme teknolojisi olarak da bilinir. DLP 3D baskı teknolojisi, SLA 3D baskı teknolojisiyle birçok benzerliğe sahiptir. Üretimi kalemle daire çizmeye benzetirsek, SLA teknolojisi katman katman çizmeye, DLP ise doğrudan damgalamaya eşdeğerdir. Peşinde olduğumuz seri üretimde iki çok önemli nokta vardır: biri verimlilik, diğeri ise malzeme maliyeti. Geleneksel üretimden yüzlerce kat daha hızlı baskı yapabilen bir 3D yazıcı var; bu da Shenzhen'deki Light Prism Technology şirketi tarafından geliştirilen yüz yüze baskı teknolojisidir. Geleneksel FDM 3D baskı ile içi boş bir topun basımı 2-5 saat sürerken, en hızlı şekilde bir saat sürüyor; ancak en yeni yüz yüze baskı teknolojisiyle sadece yaklaşık 10 dakika sürüyor. Baskı hızı inanılmaz. Bu 3D baskı piyasaya çıktığında, geleneksel el sanatları üzerindeki etkisi çok büyük olacaktır.

FDM -- Erimiş Katmanlı Kalıplama Prosesi

DLP ve SLS teknolojileriyle karşılaştırıldığında, FDM teknolojisi nispeten basittir, bu nedenle geniş bir kitleye hitap eder ve aile içinde kullanımı daha kolaydır. Prototip, termoplastik malzemenin yarı erimiş bir filament haline getirilmesi ve katman katman biriktirilmesiyle 3D CAD verilerinden doğrudan oluşturulur. FDM teknolojisinin avantajları arasında basit mekanik yapı, kolay tasarım, düşük üretim maliyeti, bakım maliyeti ve malzeme maliyeti ile çevreye kirlilik yaratmaması yer almaktadır. Bu nedenle, FDM aynı zamanda ev tipi masaüstü 3D yazıcılarda en yaygın kullanılan teknolojidir. Lazer kullanmayan ve düşük maliyetli, nispeten geleneksel bir baskı yöntemidir, ancak doğruluğu yüksek değildir ve baskı hızı çok yavaştır. Bu, herkes için en erişilebilir yöntemdir ve genellikle eğitim pazarında kullanılır.

3D Baskının Üretim ve Geleneksel El Sanatları Üzerindeki Etkisi

3D baskının avantajları

(1) Özelleştirme

Diş hekimliğini örnek alacak olursak, herkesin dişleri farklıdır, ancak 3D baskı, kişiye özel üretim ile seri üretim arasındaki çelişkiyi çözebilir ve kişiye özel implantlar, ortodontik teller vb. ürünlerin seri üretimini sağlayabilir.

(2) gerçek zamanlı örnek

3D baskının yüksek hızı sayesinde, tasarımcı sabah ürünün bir versiyonunu tasarlayabilir ve lider öğlen bitmiş ürünü görebilir; ardından akşam 6'da başka bir versiyon tasarlayabilir ve ertesi sabah bitmiş ürünü görebilir. Bu da yeni ürün geliştirme hızını büyük ölçüde artırır. Özellikle karmaşık olmayan ürünlerde, 3D baskı 3 saat içinde bitmiş ürün üretebilirken, geleneksel prova süreci her seferinde 4-6 hafta sürer; bu da endüstriyel tasarımın genel hızını da artırır.

(3) Kirlilik yok

 Kullanılan hammaddelerin tamamı çevre dostu olduğundan, tüm üretim süreci kirliliksiz bir üretimdir. Atık gaz ve atık su kirliliği veya atık malzeme israfı söz konusu değildir.

(4) Verileştirme

Dijital diş hekimliği olgunlaştığında, doktorların teknik gereksinimleri büyük ölçüde azalacaktır. Hastaların hastanede sadece iki dakika boyunca cihazı kullanarak tarama yapmaları yeterli olacak ve tüm diş problemlerinin nedenlerini ve çözümlerini öğrenebileceklerdir.

Ayrıca, 3D baskı ortodontide de kullanılabilir; kişiye özel ve özelleştirilmiş şeffaf diş telleri basılabilir. Plastik cerrahi sırasında dişler sola mı yoksa öne mi hareket ettirilmelidir? Kaç milimetre hareket ettirilmelidir? Geçmişte diş cerrahisi tamamen doktorun kişisel deneyimine dayanıyordu, ancak dijital diş hekimliği operasyonun istikrarını artırdı ve doktorlar için teknik eşiği düşürdü.

(5) Hızlı

 Geleneksel endüstriyel süreçlerle karşılaştırıldığında, 3D baskı insan gücü ve ulaşım gibi ön hazırlıklar gerektirmez. Sadece makinelere ve ham maddelere ihtiyaç duyar ve hızla üretime geçirilebilir.

(6) Otomasyon

 Sanal hayal gücü ile gerçek şey arasında sadece bir 3D yazıcı olduğu söylenebilir. 3D baskının tek tuşla üretim yöntemi, işçilik maliyetlerinden ve insan hatalarından büyük ölçüde tasarruf sağlar.