Jak działa drukowanie 3D

Nie tak dawno pomysł drukowania trójwymiarowego - tworzenia trójwymiarowych obiektów za pomocą maszyn, które nakładają warstwy materiału na siebie - wydawał się nowatorski. Jeśli mówisz, że zamierzasz wydrukować coś z komputera, większość ludzi nadal myśli o drukowaniu dwuwymiarowym, nakładaniu tonera lub atramentu na kartkę papieru. Chociaż wiele osób mogło nie doświadczyć drukowania trójwymiarowego samodzielnie, mogą bardzo dobrze wiedzieć, o czym mówisz. Drukarki 3-D stały się na tyle przystępne, że zaczęły pojawiać się w domach, miejscach pracy i salach lekcyjnych.

Druk 3D wykorzystuje rodzinę technologii produkcji zwaną wytwarzaniem addytywnym (AM). AM jest sposobem tworzenia obiektu poprzez dodawanie materiału do obiektu warstwa po warstwie. AM to aktualna terminologia ustalona przez ASTM International (dawniej American Society for Testing and Materials) [źródło: Gibson, et, al. ]. W całej swojej historii, dodatek do produkcji w ogóle upadł pod różnymi nazwami: Stereolitografia , 3-D odkłady i drukowania 3-D . W tym artykule użyto terminu drukowanie 3D, ponieważ jest on bardziej znany.

Możesz zobaczyć niektóre podstawowe zasady stojące za AM w jaskiniach; kapiąca woda przez tysiące lat tworzy warstwy i warstwy złóż mineralnych, które gromadzą się, tworząc stalagmity i stalaktyty . Jednak w przeciwieństwie do tych naturalnych formacji drukowanie 3-D jest znacznie szybsze i odbywa się zgodnie z z góry określonym planem dostarczonym przez oprogramowanie komputerowe. Komputer kieruje drukarkę 3-D, aby dodawała każdą nową warstwę jako dokładny przekrój końcowego obiektu.

Nadal rośnie produkcja addytywna, a zwłaszcza druk 3D. Technologia, która początkowo była sposobem na tworzenie szybkich prototypów, jest obecnie sposobem tworzenia produktów dla przemysłu medycznego, dentystycznego, lotniczego i motoryzacyjnego. Druk 3D przenosi się również do produkcji zabawek i mebli, sztuki i mody.

W tym artykule omówiono szeroki zakres druku 3-D, od jego historii i technologii po szeroki zakres zastosowań, w tym drukowanie własnych modeli 3-D w domu. Najpierw przyjrzyjmy się, jak zaczęło się drukowanie 3-D i jak rozwija się obecnie.

1. Historia druku 3D
2. Drukowanie 3-D bezpośrednie i na segregatorze
3. Fotopolimeryzacja i spiekanie
4. Proces drukowania 3D
5. Rewolucja w druku 3D
6. Wady druku 3D
7. Drukowanie 3D w domu

Produkcja addytywna najwcześniej wykorzystano w szybkim prototypowaniu (RP) w późnych latach osiemdziesiątych i wczesnych dziewięćdziesiątych XX wieku. Prototypy dają producentom szansę dokładniejszego zbadania projektu obiektu, a nawet przetestowania go przed wyprodukowaniem gotowego produktu. RP pozwala producentom wytwarzać te prototypy znacznie szybciej niż wcześniej, często w ciągu dni, a czasem godzin od zaprojektowania projektu. W RP projektanci tworzą modele za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), a następnie maszyny podążają za tym modelem oprogramowania, aby określić, jak skonstruować obiekt. Proces budowania tego obiektu poprzez „drukowanie” jego przekrojów warstwa po warstwie stał się znany jako druk 3D.

Najwcześniejszy rozwój technologii druku 3D miał miejsce w Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz w firmie o nazwie 3D Systems. We wczesnych latach 90-tych MIT opracował procedurę, którą opatrzył znakiem towarowym nazwą 3-D Printing, którą oficjalnie skracał jako 3DP. Od września 2019 r. MIT udzielił licencji sześciu firmom na wykorzystywanie i promowanie procesu 3DP w swoich produktach [źródło: MIT ].

Firma 3D Systems, z siedzibą w Rock Hill w Karolinie Południowej, była pionierem i stosowała różnorodne podejścia do drukowania trójwymiarowego od czasu jej powstania w 1986 r. Zastrzegła nawet znak towarowy niektórych swoich technologii, takich jak urządzenie stereolitograficzne (SLA) i selektywne spiekanie laserowe. (SLS), każdy opisany w dalszej części tego artykułu. Podczas gdy MIT i 3D Systems pozostają liderami w dziedzinie druku 3D, inne firmy również wprowadziły innowacyjne nowe produkty na rynek profesjonalny, opierając się na tych technologiach AM.

Obecnie niektóre z tych samych technologii druku 3D, które przyczyniły się do powstania RP, są obecnie wykorzystywane do tworzenia gotowych produktów. Technologia jest stale udoskonalana na różne sposoby, od dokładności szczegółów, które maszyna może wydrukować, po ilość czasu wymaganą do oczyszczenia i wykończenia przedmiotu po zakończeniu drukowania. Procesy stają się coraz szybsze, tańsze są materiały i sprzęt, można użyć więcej materiałów, w tym metali i ceramiki. Maszyny drukarskie mają obecnie rozmiary od małego samochodu do wielkości kuchenki mikrofalowej.

Wytwarzanie przyrostowe jest często porównywane lub wręcz mylone z innym powszechnym procesem produkcyjnym zwanym obróbką numeryczną sterowaną komputerowo (CNC). Jednak CNC jest odejmowanie, co jest przeciwieństwem AM. W obróbce CNC materiał jest usuwany z wcześniej istniejącego bloku, aż gotowy produkt pozostanie, podobnie jak rzeźba posągu z kamienia.

Teraz, gdy masz już pewne podstawowe informacje o tej dziedzinie, przyjrzyjmy się niektórym technologiom drukowania 3D.

Jednym ze sposobów drukowania trójwymiarowego jest bezpośrednie drukowanie trójwymiarowe . Bezpośredni druk trójwymiarowy wykorzystuje technologię atramentową , która jest dostępna w druku dwuwymiarowym od lat sześćdziesiątych XX wieku [źródło: Gibson, et al. ]. Podobnie jak w drukarce atramentowej 2-D, dysze w drukarce 3-D poruszają się tam iz powrotem, wydając płyn. Jednak w przeciwieństwie do drukowania 2-D dysze lub powierzchnia drukowania poruszają się w górę iw dół, więc wiele warstw materiału może pokryć tę samą powierzchnię. Co więcej, te drukarki nie używają atramentu; dozują grube woski i plastikowe polimery, które zestalają się, tworząc każdy nowy przekrój mocnego trójwymiarowego obiektu.

Szybkie prototypowanie (RP), które opisaliśmy wcześniej w artykule, było głównym czynnikiem rozwoju bezpośredniego druku 3D. W 1994 roku ModelMaker, maszyna produkowana przez firmę znaną jako Solidscape, stała się pierwszą komercyjnie odnoszącą sukcesy technologią, która zastosowała podejście atramentowe do RP [źródło: Gibson, et al. ]. W ślad za nimi poszły inne komercyjne produkty RP. Na przykład, dzisiejsze zaawansowane produkty do szybkiego prototypowania wykorzystują technologie takie jak modelowanie wielostrumieniowe (MJM), które pozwala szybko tworzyć prototypy wosku z dziesiątkami dysz pracujących jednocześnie [źródło: GWP ].

Drukowanie trójwymiarowe na segregatorze , podobnie jak drukowanie bezpośrednie trójwymiarowe, wykorzystuje dysze do drukarek atramentowych do nakładania cieczy i tworzenia każdej nowej warstwy. Jednak w przeciwieństwie do druku bezpośredniego, drukowanie na spoiwo wykorzystuje dwa oddzielne materiały, które łączą się, tworząc każdą drukowaną warstwę: drobny suchy proszek plus płynny klej lub spoiwo . Drukarki Binder 3-D wykonują dwa przejścia, aby uformować każdą warstwę. W pierwszym przejściu rozprowadza się cienką powłokę proszku, a drugie przejście wykorzystuje dysze do nałożenia spoiwa. Następnie platforma konstrukcyjna obniża się nieznacznie, aby pomieścić nową warstwę proszku, a cały proces powtarza się, aż model zostanie ukończony.

Wspomniany wcześniej proces 3DP MIT wykorzystuje to podejście wiążące. MIT udziela firmom licencji na opracowywanie produktów wykorzystujących 3DP, ale aby się zakwalifikować, firma musi użyć unikalnej kombinacji materiałów proszkowych i wiążących.

Binder 3-D drukowanie ma kilka zalet w porównaniu z bezpośrednim drukowaniem 3-D. Po pierwsze, jest to zwykle szybsze niż drukowanie bezpośrednie, ponieważ mniej materiału jest nakładane przez dysze. Kolejną zaletą jest to, że w procesie można zastosować szerszą gamę kolorów i materiałów, w tym metale i ceramikę.

Modelowanie osadzania stopionego (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) to podejście do wytwarzania przyrostowego, które jest podobne, choć nie identyczne, do bezpośredniego drukowania 3D. Proces FDM, zastrzeżony znakiem towarowym Stratasys, Inc., obejmuje wtryskiwanie stopionego tworzywa sztucznego w ciasno upakowanych liniach przy użyciu bardzo małych dysz. FDM może tworzyć obiekty o cechach tak małych jak ułamek milimetra. [źródło: Grimm ]

Fotopolimeryzacja to technologia druku 3D, w której krople płynnego tworzywa sztucznego są wystawiane na działanie wiązki laserowej światła ultrafioletowego. Podczas tej ekspozycji światło przekształca ciecz w ciało stałe. Termin pochodzi od zdjęcia korzeni, oznaczającego światło i polimer, które opisuje skład chemiczny stałego tworzywa sztucznego .

W 2000 roku Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) było partnerstwem szkół i firm, które zapewniały praktyczne szkolenie w zakresie umiejętności obróbki metali w Północnej Karolinie. Niektóre szkolenia PT CAM obejmowały aparat stereolitograficzny (SLA) firmy 3D Systems. SLA wykorzystuje fotopolimeryzację, kierując laser na kadzi z płynnego tworzywa sztucznego zwanego fotopolimerem . Podobnie jak w przypadku druku atramentowego 3-D, umowa SLA powtarza ten proces warstwa po warstwie, aż do zakończenia drukowania.

Spiekanie to kolejna technologia wytwarzania przyrostowego, która polega na stapianiu i stapianiu cząstek razem w celu wydrukowania każdego kolejnego przekroju przedmiotu. Selektywne spiekanie laserowe (SLS) jest jedną z form spiekania stosowaną w druku trójwymiarowym. SLS opiera się na laserze, który topi trudnopalny proszek z tworzywa sztucznego, który następnie krzepnie, tworząc drukowaną warstwę. Jest to podobne do mechanizmu za drukarkami 2-D: topią toner, aby przylgnął do papieru i utworzył obraz.

Spiekanie jest naturalnie kompatybilne z budową metalowych przedmiotów, ponieważ produkcja metalu często wymaga pewnego rodzaju topienia i zmiany kształtu. Jednym z przykładów wykorzystania metalu jako materiału do spiekania jest firma 3D Systems [źródło: 3D Systems ]. Obiekty utworzone za pomocą LaserForm A6 mają kilka zalet w porównaniu z produktami metalowymi wykonanymi innymi metodami, takimi jak odlewanie ciśnieniowe. Jedną z największych zalet jest wysoki poziom precyzji, jaki może osiągnąć SLS.

Do tej pory przyjrzeliśmy się rozwojowi druku 3-D i czterem szeroko stosowanym technologiom druku 3-D. Następnie przyjrzyjmy się ogólnemu procesowi drukowania trójwymiarowych obiektów, który ma zastosowanie bez względu na stosowane podejście.

Bez względu na to, jakie podejście stosuje drukarka 3-D, ogólny proces drukowania jest zasadniczo taki sam. W swojej książce „ Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing ” Ian Gibson, David W. Rosen i Brent Stucker wymieniają osiem następujących etapów ogólnego procesu AM:

Rosnąca dostępność i przystępność cenowa rozwiązań do druku 3D sprawiła, że ​​technologia ta stała się atrakcyjna dla ludzi z wielu branż. Na przykład przemysł motoryzacyjny od wielu lat wykorzystuje technologię druku 3D do szybkiego prototypowania nowych projektów części samochodowych. Powyższy obrazek przedstawia różnorodny prototyp stworzony przez Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM).

Zawód medyczny chętnie przyjęła druk 3-D dla wielu zastosowań, takich jak drukowanie protetyki. Tradycyjna, profesjonalnie wykonana protetyka może być kosztowna, ale drukarka 3-D mogłaby wykonać protezę ręki za jedyne 50 dolarów [źródło: Amputee Coalition ]. Podobnie Walter Reed Army Medical Center wykorzystało drukowanie trójwymiarowe do tworzenia modeli, które chirurdzy mogą wykorzystywać jako wskazówki podczas operacji rekonstrukcji twarzy [źródło: King ]. Kilku profesjonalnych producentów drukarek 3-D sprzedaje maszyny zaprojektowane specjalnie do prac dentystycznych.

Inżynierowie w przemyśle lotniczym wykorzystują druk 3D, aby pomóc w testowaniu i ulepszaniu jego projektów, a także w celu pokazania, jak dobrze działają [źródło: Gordon ]. Firma badawcza EADS ma jeszcze śmielsze ambicje związane z drukowaniem 3-D: samodzielną produkcją części do samolotów, w tym całego skrzydła do dużego samolotu . Naukowcy z EADS postrzegają to jako ekologiczną technologię, wierząc, że skrzydła z nadrukiem 3D zmniejszą wagę samolotu, a tym samym zmniejszą zużycie paliwa. Może to zmniejszyć emisję dwutlenku węgla, a linie lotnicze o około 3000 USD w ciągu roku. [źródło: The Economist ]

Druk trójwymiarowy ma również kilka interesujących zastosowań estetycznych. Projektanci i artyści używają go w kreatywny sposób do tworzenia dzieł sztuki, mody i mebli. Grafik Torolf Sauermann stworzył kolorowe rzeźby geometryczne przy użyciu druku 3D [źródło: Jotero GbR ]. Firma Freedom of Creation (FOC) z Holandii sprzedawała drukowane produkty 3D wykonane ze spiekanego laserowo poliamidu, w tym oświetlenie o skomplikowanych wzorach geometrycznych i projekty odzieży składające się z zazębiających się plastikowych pierścieni, które przypominają kolczugę. FOC ma również wielu klientów korporacyjnych korzystających z usług projektowania i drukowania, w tym Philips, Nokia, Nike, Asics i Hyundai [źródło: FOC ].

Smaczniejsze zastosowanie technologii druku 3-D pochodzi z przemysłu czekoladowego, który opracował maszyny, które mogą tworzyć wyjątkowe wyroby cukiernicze. Chociaż drukarki trójwymiarowe nie nadają się do masowej produkcji, mogą tworzyć projekty projektowane komputerowo jako prototypy lub tak samo wyjątkowe, niestandardowe przysmaki [źródło: Ooi ]. Szukasz czegoś bardziej pikantnego? Możesz używać drukarek 3D do tworzenia wielu rodzajów żywności - musi to być coś, co można przetrzeć, aby dostać się do maszyny - ale możesz zrobić burgery z nadrukiem 3D. Jedna uwaga: żywność drukowana ma inną konsystencję niż żywność tradycyjna [źródło: Houser ].

W przeszłości drukowanie 3D było kosztowną technologią. Umowa SLA PTCAM, opisana wcześniej w artykule, kosztowała ponad 250 000 USD; płynny plastik kosztuje około 800 dolarów za galon. Organizacje, które były właścicielami tego typu sprzętu, mogą sprzedawać usługi stereolitografii innym osobom lub zezwalać firmom na kupowanie bloków czasu na korzystanie z tego sprzętu.

Obecnie wiele dużych przemysłowych maszyn AM jest nadal drogich, choć mniej niż wcześniej. Na przykład we wrześniu 2019 roku ProJet CPX 3000MJP 3600 firmy 3D Systems sprzedawał się za mniej niż 100 000 USD i mógł produkować modele w wysokiej rozdzielczości do 11,75 cala na 7,3 cala na 8 cali (298 milimetrów na 185 milimetrów na 203 milimetry) [źródła: BasTech ].

Oprócz ceny, drukarki 3-D mają też inne wady. Zużywają dużo energii, około 100 razy więcej energii elektrycznej niż zwykła produkcja. Naukowcy odkryli również, że mogą emitować wiele rakotwórczych cząstek i lotnych związków organicznych, zwłaszcza gdy są używane na małej przestrzeni, takiej jak dom. Plastik używany w większości projektów trójwymiarowych również ma swoje własne problemy. Plastikowe pozostałości z projektów trójwymiarowych prawdopodobnie trafią na wysypiska śmieci i przyczynią się do kryzysu na Ziemi dzięki plastikowi jednorazowemu. Ponadto wytrzymałość tworzywa sztucznego jest różna i może nie być najlepsza dla wszystkich części składowych projektu. Drukarki 3-D również działają wolno, a wydrukowanie projektu może zająć kilka dni lub godzin [źródło: 3-D Insider ].

Jest prawdopodobne, że wiele z tych problemów zostanie z czasem rozwiązanych wraz z rozwojem technologii. Ale inne problemy mogą się utrzymywać. Na przykład ludzie już wyprodukowali broń przy użyciu drukarek 3D , w tym jeden mężczyzna, któremu wcześniej odmówiono pozwolenia na broń . Czy można podjąć kroki, aby uniemożliwić ludziom używanie drukarek 3D do produkcji broni, noży i innej broni? Istnieją również obawy dotyczące naruszeń praw autorskich . Ludzie mogliby zdobyć plany i wydrukować obiekt, zamiast kupować go od właściciela patentu lub praw autorskich. Posiadaczowi patentu może być trudno wyśledzić osobę (lub setki osób), która drukuje coś opatentowanego i twierdzi, że narusza prawa autorskie.

Chociaż nadal nie jest to powszechne, drukarki 3D pojawiają się w coraz większej liczbie domów, bibliotek , szkół i miejsc pracy.

Ceny tych maszyn również spadły wraz z dojrzewaniem technologii. Na przykład od 2019 r. MakerBot Replicator Mini + zaczyna się od 1299 USD [źródło: MakerBot ]. Firma sprzedaje małe szpule swojego materiału PLA w 12 standardowych kolorach już od 18 USD oraz w limitowanych edycjach (świecących w ciemności, kto?) Za dodatkową opłatą.

Jeśli nie chcesz zaszaleć na maszynie do użytku domowego, zawsze możesz ją zbudować samodzielnie. Na przykład fizyk i bloger Windell Oskay zbudował w 2007 roku własną drukarkę 3D, która wytwarza przedmioty z cukru metodą spiekania. Projekt o nazwie CandyFab ma dedykowaną stronę internetową pod adresem CandyFab.org . Chociaż projekt został zamknięty, nadal możesz o nim przeczytać i jak sprawił, że zadziałał.

Aby uzyskać bardziej profesjonalne podejście, możesz zamiast tego kupić usługi drukowania 3D. Usługi te pozwalają na przesłanie własnych plików CAD i odzyskanie wysokiej jakości produkcji przedmiotu lub obiektów utworzonych przez przemysłową drukarkę 3D. Firmy internetowe, które oferują usługi drukowania 3D, to m.in. Shapeways i Ponoko. Witryny te dają również możliwość założenia sklepu internetowego, co pozwala na zarabianie pieniędzy, gdy inni kupują odbitki 3-D Twojego projektu. [źródło: Shapeways , Ponoko ]

Druk trójwymiarowy wciąż się poprawia, ponieważ jego koszt spada. Być może w przyszłości te maszyny będą powszechnymi narzędziami używanymi do rozwiązywania codziennych problemów, takich jak drukowanie projektów szkolnych lub drukowanie nowego klucza domowego, zamiast jeździć do sklepu z narzędziami po wymianę.

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków