3 Boyutlu Baskı Nasıl Çalışır?

Çok uzun zaman önce, 3-D baskı fikri - üst üste malzeme katmanları ekleyen makineler kullanarak üç boyutlu nesneler yaratmak - yeni görünüyordu. Bilgisayarınızdan bir şey yazdıracağınızı söylerseniz, çoğu insan hala iki boyutlu yazdırmayı, bir kağıda toner veya mürekkep koymayı düşünüyor . Şimdi, birçok kişi 3 boyutlu baskıyı deneyimlememiş olsa da, neden bahsettiğinizi çok iyi biliyor olabilirler. Ve 3 boyutlu yazıcılar, evlerde, üretim alanlarında ve sınıflarda görünmeye başlayacak kadar uygun fiyatlı hale geldi.

3-D baskı, eklemeli üretim (AM) adı verilen bir üretim teknolojisi ailesini kullanır . AM, nesne katmanına katman katman malzeme ekleyerek bir nesne oluşturma aracıdır. AM, ASTM International (eski adıyla American Society for Testing and Materials) [kaynak: Gibson, et, al. ]. Tarih boyunca, genel olarak katmanlı imalat çeşitli isimlerle geçmiştir : stereolitografi , 3 boyutlu katmanlama ve 3 boyutlu baskı . Bu makale, daha iyi bilindiği için 3-D baskı terimini kullanmaktadır.

AM'nin arkasındaki bazı temel ilkeleri mağaralarda görebilirsiniz; Binlerce yıl boyunca, damlayan su, dikitler ve sarkıtlar oluşturmak için biriken mineral birikintileri katmanları ve katmanları oluşturur . Bu doğal oluşumların aksine, 3 boyutlu baskı çok daha hızlıdır ve bilgisayar yazılımı tarafından sağlanan önceden belirlenmiş bir planı izler. Bilgisayar, 3-D yazıcıyı her yeni katmanı nihai nesnenin kesin bir kesiti olarak eklemesi için yönlendirir.

Özellikle eklemeli üretim ve 3 boyutlu baskı büyümeye devam ediyor. Hızlı prototipler oluşturmanın bir yolu olarak başlayan teknoloji artık tıp, dişçilik, havacılık ve otomotiv endüstrileri için ürünler yaratmanın bir yolu. 3-D baskı aynı zamanda oyuncak ve mobilya imalatı, sanat ve modaya da geçiyor .

Bu makale, kendi 3-D modellerinizi evde basmak da dahil olmak üzere, geçmişi ve teknolojilerinden geniş kullanım yelpazesine kadar 3-D baskının geniş kapsamını incelemektedir. Öncelikle 3 boyutlu baskının nasıl başladığı ve bugün nasıl geliştiğine bir göz atalım.

1. 3 Boyutlu Baskının Tarihçesi
2. Doğrudan ve Ciltleyici 3 Boyutlu Baskı
3. Fotopolimerizasyon ve Sinterleme
4. 3 Boyutlu Baskı Süreci
5. 3 Boyutlu Baskı Devrimi
6. 3 Boyutlu Baskının Olumsuz Yönleri
7. Evde 3-D Baskı

Katmanlı imalatın en erken kullanımı, 1980'lerin sonlarında ve 1990'ların başlarında hızlı prototiplemede (RP) idi. Prototipler , üreticilere bir nesnenin tasarımını daha yakından inceleme ve hatta bitmiş bir ürün üretmeden önce test etme şansı verir. RP, üreticilerin bu prototipleri eskisinden çok daha hızlı, genellikle tasarımı tasarladıktan sonraki günler veya bazen saatler içinde üretmelerine olanak tanır. RP'de tasarımcılar, bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımını kullanarak modeller oluşturur ve ardından makineler, nesnenin nasıl oluşturulacağını belirlemek için bu yazılım modelini takip eder. Bu nesneyi enine kesitlerini katman katman "yazdırarak" oluşturma süreci 3-D baskı olarak bilinir hale geldi.

3-D baskı teknolojilerinin ilk gelişimi , Massachusetts Institute of Technology'de (MIT) ve 3D Systems adlı bir şirkette gerçekleşti. 1990'ların başında MIT, resmi olarak 3DP olarak kısalttığı 3-D Printing adıyla ticari markalaştığı bir prosedür geliştirdi. Eylül 2019 itibarıyla MIT, ürünlerinde [kaynak: MIT ] 3DP sürecini kullanmak ve tanıtmak için altı şirkete lisans verdi .

Rock Hill, Güney Carolina merkezli 3D Systems, 1986 yılında kuruluşundan bu yana çeşitli 3 boyutlu baskı yaklaşımlarına öncülük etmiş ve bunları kullanmıştır. Stereolitografi aparatı (SLA) ve seçici lazer sinterleme gibi bazı teknolojilerinin ticari markasını bile almıştır. (SLS), her biri bu makalenin sonraki bölümlerinde açıklanmıştır. MIT ve 3D Systems, 3-D baskı alanında lider olmaya devam ederken, diğer şirketler de bu AM teknolojilerini temel alarak profesyonel pazara yenilikçi yeni ürünler getirdiler.

Bugün, RP'ye katkıda bulunan aynı 3-D baskı teknolojisinin bir kısmı şimdi bitmiş ürünler oluşturmak için kullanılıyor. Teknoloji, bir makinenin yazdırabileceği ayrıntı inceliğinden, baskı tamamlandığında nesneyi temizlemek ve bitirmek için gereken süreye kadar çeşitli şekillerde gelişmeye devam ediyor. Süreçler daha hızlı hale geliyor, malzemeler ve ekipman daha ucuz hale geliyor ve metaller ve seramikler dahil olmak üzere daha fazla malzeme kullanılabiliyor. Baskı makineleri artık küçük bir arabanın boyutundan mikrodalga fırın boyutuna kadar çeşitlilik gösteriyor.

Katmanlı üretim genellikle bilgisayar sayısal kontrollü (CNC) işleme adı verilen başka bir yaygın üretim süreciyle karşılaştırılır veya hatta bu süreçle karıştırılır . Bununla birlikte, CNC eksilticidir, bu da AM'nin tersidir. CNC işlemede, taştan bir heykelin oyulması gibi, bitmiş ürün kalana kadar önceden var olan bazı bloklardan malzeme kaldırılır.

Artık alanla ilgili bazı arka plan bilgilerine sahip olduğunuza göre, bazı 3 boyutlu baskı teknolojilerini inceleyelim.

3 boyutlu baskıya bir yaklaşım, doğrudan 3 boyutlu baskıdır . Doğrudan 3-D baskı , 1960'lardan beri 2-D baskı için mevcut olan inkjet teknolojisini kullanır [kaynak: Gibson, et al. ]. Bir 2-D mürekkep püskürtmeli yazıcıda olduğu gibi, bir 3-D yazıcıdaki nozüller, bir sıvıyı dağıtmak için ileri geri hareket eder. 2-D baskının aksine, püskürtme uçları veya baskı yüzeyi yukarı ve aşağı hareket eder, böylece birden fazla malzeme katmanı aynı yüzeyi kaplayabilir. Üstelik bu yazıcılar mürekkep kullanmaz; sağlam 3-D nesnenin her yeni kesitini oluşturmak için katılaşan kalın mumlar ve plastik polimerler dağıtırlar.

Makalede daha önce bahsettiğimiz hızlı prototipleme (RP), doğrudan 3 boyutlu baskının büyümesinde önemli bir faktör olmuştur. 1994 yılında, Solidscape olarak bilinen bir şirket tarafından üretilen bir makine olan ModelMaker, RP'ye inkjet yaklaşımını uygulayan ticari açıdan başarılı ilk teknoloji oldu [kaynak: Gibson, et al. ]. Diğer ticari RP ürünleri takip etti. Örneğin, günümüzün gelişmiş hızlı prototipleme ürünleri , aynı anda çalışan düzinelerce nozülle hızla mum prototipleri oluşturan çoklu jet modelleme (MJM) gibi teknolojileri kullanır [kaynak: GWP ].

Doğrudan 3 boyutlu baskı gibi Ciltleyici 3 boyutlu baskı, bir sıvı uygulamak ve her yeni katmanı oluşturmak için mürekkep püskürtmeli püskürtme uçlarını kullanır. Doğrudan baskının aksine, ciltli baskı, her bir basılı tabakayı oluşturmak için bir araya gelen iki ayrı malzeme kullanır: ince bir kuru toz artı bir sıvı tutkal veya bağlayıcı . Binder 3-D yazıcılar, her katmanı oluşturmak için iki geçiş yapar. İlk geçişte ince bir toz tabakası açılır ve ikinci geçişte bağlayıcıyı uygulamak için nozullar kullanılır. Yapı platformu daha sonra yeni bir toz tabakası yerleştirmek için hafifçe alçalır ve tüm süreç model bitene kadar tekrarlanır.

Daha önce bahsedilen MIT'nin 3BP süreci bu bağlayıcı yaklaşımı kullanır. MIT, şirketlere 3DP kullanan ürünler geliştirmeleri için lisans verir, ancak bunun için şirket, bazı benzersiz toz ve bağlayıcı malzeme kombinasyonlarını kullanmalıdır.

Ciltçi 3 boyutlu baskının, doğrudan 3 boyutlu baskıya göre birkaç avantajı vardır. Birincisi, püskürtme uçlarından daha az malzeme uygulandığı için doğrudan baskıdan daha hızlı olma eğilimindedir. Diğer bir avantaj da, metaller ve seramikler dahil olmak üzere, prosese daha geniş bir renk ve malzeme çeşitliliği dahil edebilmenizdir.

Sigortalı Biriktirme Modellemesi (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM), 3 boyutlu baskıyı yönlendirmekle aynı olmasa da benzer olan bir eklemeli üretim yaklaşımıdır. Stratasys, Inc.'in ticari markası olan FDM işlemi, erimiş plastiğin çok küçük nozullar kullanılarak yakın paketlenmiş hatlarda enjekte edilmesini içerir. FDM, bir milimetrenin bir kısmı kadar küçük özelliklere sahip nesneler oluşturabilir. [kaynak: Grimm ]

Fotopolimerizasyon , sıvı plastik damlalarının bir lazer ultraviyole ışınına maruz kaldığı bir 3-D baskı teknolojisidir . Bu pozlama sırasında ışık sıvıyı katıya dönüştürür. Terim, katı plastiğin kimyasal bileşimini tanımlayan ışık ve polimer anlamına gelen kök fotoğrafından gelir .

2000'lerde, Piedmont Triad Gelişmiş İmalat Merkezi (PTCAM), Kuzey Carolina'da metal işleme becerileri konusunda uygulamalı eğitim sağlayan okullar ve işletmelerin ortaklığıydı. PT CAM eğitiminin bir kısmı, 3D Systems tarafından sunulan bir stereolitografi aparatını (SLA) içeriyordu . SLA, bir lazeri fotopolimer adı verilen sıvı plastikten oluşan bir kap boyunca yönlendiren fotopolimerizasyon kullanır . Gibi mürekkep püskürtmeli baskı tamamlanana kadar 3-D baskı, SLA tabaka ile bu işlem tabaka tekrar eder.

Sinterleme , bir nesnenin her bir ardışık kesitini basmak için parçacıkları eritmeyi ve kaynaştırmayı içeren başka bir eklemeli üretim teknolojisidir. Seçici lazer sinterleme (SLS), 3 boyutlu baskıda kullanılan bir sinterleme biçimidir. SLS, alev geciktirici bir plastik tozu eritmek için bir lazere güvenir ve bu daha sonra basılı tabakayı oluşturmak için katılaşır. Bu, 2-D yazıcıların arkasındaki mekanizmaya benzer: Toneri eriterek kağıda yapışır ve görüntü oluşturur.

Sinterleme, metal nesnelerin yapımı ile doğal olarak uyumludur çünkü metal üretimi genellikle bir tür eritme ve yeniden şekillendirme gerektirir. Metali sinterleme malzemesi olarak kullanmanın bir örneği, 3D Systems [kaynak: 3D Systems ] 'dan alınmıştır. LaserForm A6 ile oluşturulan nesneler, kalıp döküm gibi başka yollarla yapılan metal ürünlere göre çeşitli avantajlara sahiptir. En büyük avantajlardan biri, SLS'nin elde edebileceği yüksek hassasiyet seviyesidir.

Şimdiye kadar, 3 boyutlu baskının nasıl geliştiğini ve dört tane 3 boyutlu baskı teknolojisini yaygın olarak benimsediğini inceledik. Daha sonra, hangi yaklaşımı kullanırsanız kullanın geçerli olan üç boyutlu nesneleri yazdırmanın genel sürecini inceleyelim.

3 boyutlu bir yazıcı hangi yaklaşımı kullanırsa kullansın, genel baskı süreci genellikle aynıdır. Onların kitabında " Otoinşa Teknolojileri: Hızlı Prototipleme Doğrudan Dijital İmalat için ," Ian Gibson, David W. Rosen ve Brent Stucker listesi jenerik AM sürecinde sekiz adımları izleyerek:

3-D baskı çözümlerinin artan kullanılabilirliği ve uygun fiyatı, teknolojiyi birçok sektördeki insanlar için çekici hale getirdi. Örneğin, otomotiv endüstrisi, yeni otomobil parçası tasarımlarının hızlı prototiplenmesi için uzun yıllar 3-D baskı teknolojisini kullandı. Yukarıdaki resim, Piedmont Triad Gelişmiş Üretim Merkezi (PTCAM) tarafından oluşturulan bir manifold prototipini göstermektedir.

Tıp mesleğinin heyecanla örneğin baskı protezler gibi kullanımlar, bir dizi 3-D baskı kabul etmiştir. Geleneksel profesyonel protezler pahalı olabilir, ancak 3 boyutlu bir yazıcı 50 $ gibi düşük bir fiyata protez el yapabilir [kaynak: Amputee Coalition ]. Benzer şekilde, Walter Reed Ordu Tıp Merkezi, cerrahların yüz rekonstrüktif cerrahi için kılavuz olarak kullanabilecekleri modeller üretmek için 3-D baskı kullandı [kaynak: King ]. Birkaç profesyonel 3-D yazıcı üreticisi, özellikle dişçilik işleri için tasarlanmış makineler satmaktadır.

Havacılık endüstrisindeki mühendisler, tasarımlarının test edilmesine ve iyileştirilmesine yardımcı olmak ve ne kadar iyi çalıştıklarını göstermek için 3-D baskıyı kullanırlar [kaynak: Gordon ]. Araştırma şirketi EADS'nin 3 boyutlu baskı konusunda daha da cesur bir hırsı var: büyük bir uçak için tüm kanat dahil olmak üzere uçak parçalarını kendileri üretmek . EADS araştırmacıları bunu yeşil bir teknoloji olarak görüyorlar, 3 boyutlu baskılı kanatların bir uçağın ağırlığını ve dolayısıyla yakıt kullanımını azaltacağına inanıyorlar. Bu, karbondioksit emisyonlarını ve havayolunu bir yıl boyunca yaklaşık 3.000 $ azaltabilir. [kaynak: The Economist ]

3-D baskı da bazı ilginç estetik uygulamalara sahiptir. Tasarımcılar ve sanatçılar onu sanat, moda ve mobilya üretmek için yaratıcı şekillerde kullanıyor. Grafik sanatçısı Torolf Sauermann , 3 boyutlu baskı [kaynak: Jotero GbR ] kullanarak renkli geometrik heykeller yarattı . Hollanda'da bir şirket olan Freedom of Creation (FOC), karmaşık geometrik tasarımlarla aydınlatma ve zincir postaya benzeyen birbirine kenetlenen plastik halkalardan oluşan giysi tasarımları dahil olmak üzere lazerle sinterlenmiş poliamidden yapılmış 3 boyutlu baskılı ürünler sattı. FOC ayrıca, Philips, Nokia, Nike, Asics ve Hyundai [kaynak: FOC ] dahil olmak üzere tasarım ve baskı hizmetlerini kullanan bir dizi kurumsal müşteriye sahiptir .

3-D baskı teknolojisinin daha lezzetli bir uygulaması, benzersiz şekerleme ürünleri yaratabilen makineler geliştiren çikolata endüstrisinden geliyor. Seri üretim için uygun olmasa da, 3-D yazıcılar bilgisayar tasarımlı nesneleri prototipler veya tıpkı benzersiz, özelleştirilmiş işler [kaynak: Ooi ] yapabilir. Biraz daha lezzetli bir şey mi arıyorsunuz? Pek çok türde yiyecek oluşturmak için 3 boyutlu yazıcıları kullanabilirsiniz - makineye koymak için püre yapabileceğiniz bir şey olmalıdır - ancak 3 boyutlu baskı ile hamburger yapabilirsiniz. Unutulmaması gereken bir şey: Basılı yiyecekler, geleneksel yiyeceklerden [kaynak: Houser ] farklı bir dokuya sahiptir .

Tarihsel olarak, 3 boyutlu baskı pahalı bir teknoloji olmuştur. Makalede daha önce açıklanan PTCAM'ın SLA'sı 250.000 $ 'dan fazlaya mal oldu; sıvı plastik, galon başına yaklaşık 800 dolardır. Bu tür ekipmana sahip olan kuruluşlar, stereolitografi hizmetlerini başkalarına satabilir veya şirketlerin ekipmanı kullanmak için zaman blokları satın almasına izin verebilir.

Bugün, birçok büyük endüstriyel AM makinesi eskisinden daha ucuz olsa da hala pahalıdır. Örneğin, Eylül 2019'da, 3D Systems'ın ProJet CPX 3000MJP 3600'ü 100.000 dolardan daha düşük bir fiyata satıyordu ve 11,75 inç'e 7,3 inç'e 8 inç'e (298 milimetreye 185 milimetreye 203 milimetreye kadar) kadar yüksek çözünürlüklü modeller üretebiliyordu [kaynaklar: BasTech ].

Fiyata ek olarak, 3-D yazıcıların başka dezavantajları da var. Normal üretime göre yaklaşık 100 kat daha fazla elektrik enerjisi gibi çok fazla enerji kullanırlar. Araştırmacılar ayrıca, özellikle ev gibi küçük bir alanda kullanıldıklarında çok sayıda kanserojen partikül ve uçucu organik bileşik yayabileceklerini buldular. Çoğu 3 boyutlu projede kullanılan plastiğin de kendi sorunları vardır. 3 boyutlu projelerden kalan plastik kalıntılar muhtemelen çöplüklere düşecek ve tek kullanımlık plastikle Dünya krizine katkıda bulunacaktır. Daha fazla plastiğin mukavemeti değişiklik gösterir ve bir projenin tüm bileşen parçaları için en iyisi olmayabilir. 3-D yazıcılar da yavaştır ve bir projenin yazdırılması birkaç gün veya saat sürebilir [kaynak: 3-D Insider ].

Teknoloji geliştikçe bu sorunların çoğunun zaman içinde çözülmesi muhtemeldir. Ancak başka sorunlar devam edebilir. Örneğin, daha önce silah izni reddedilen bir kişi de dahil olmak üzere , insanlar zaten 3 boyutlu yazıcıları kullanarak silah yaptılar . İnsanların silah, bıçak ve diğer silahları yapmak için 3 boyutlu yazıcı kullanmasını engellemek için adımlar atılabilir mi? Telif hakkı ihlalleri konusunda da endişeler var . İnsanlar patent veya telif hakkı sahibinden satın almak yerine planları ele geçirebilir ve bir nesneyi yazdırabilir. Bir patent sahibinin , patentli bir şey basan ve telif hakkı ihlali iddiasında bulunan kişinin (veya yüzlerce kişinin) izini sürmesi zor olabilir .

Hala sıradan olmamasına rağmen, 3 boyutlu yazıcılar daha fazla evde, kütüphanede , okulda ve üretici alanlarında görünüyor.

Teknoloji olgunlaştıkça bu makinelerin fiyatları da düştü. Örneğin, 2019 itibariyle bir MakerBot Replicator Mini +, 1.299 $ 'dan başlıyor [kaynak: MakerBot ]. Şirket, PLA malzemesinin küçük makaralarını 18 $ 'dan başlayan 12 standart renkte ve sınırlı sayıda üretilen renkleri (karanlıkta parlayan, kimse var mı?) Ek bir ücret karşılığında satıyor.

Ev kullanımı için bir makineye savurmak istemiyorsanız, her zaman kendiniz bir tane yapabilirsiniz. Örneğin, fizikçi ve blog yazarı Windell Oskay , sinterleme yaklaşımı kullanarak şekerden nesneler üreten kendi 3-D yazıcısını 2007'de yaptı. CandyFab adlı projenin CandyFab.org'da özel bir web sitesi var . Proje kapanmasına rağmen, onu ve nasıl yürüdüğünü hala okuyabilirsiniz.

Daha profesyonel bir yaklaşım için bunun yerine 3 boyutlu baskı hizmetleri satın alabilirsiniz. Bu hizmetler, kendi CAD dosyalarınızı göndermenize ve endüstriyel bir 3-D yazıcı tarafından oluşturulan nesnelerinizin veya nesnelerinizin yüksek kaliteli bir üretimini geri almanıza olanak tanır . 3 boyutlu baskı hizmetleri sunan çevrimiçi şirketler arasında Shapeways ve Ponoko bulunmaktadır. Bu siteler size ayrıca bir çevrimiçi mağaza kurma seçeneği sunarak, başkaları tasarımınızın 3 boyutlu baskılarını satın aldığında para kazanmanıza olanak tanır. [kaynak: Shapeways , Ponoko ]

3-D baskı, maliyeti düştükçe artmaya devam ediyor. Belki de gelecekte bu makineler, bir değişim için hırdavatçıya gitmek yerine okul projelerini yazdırmak veya yeni bir ev anahtarı yazdırmak gibi gündelik sorunları çözmek için kullanılan sıradan araçlar olacaktır.

İlgili Makaleler

Daha Harika Bağlantılar