Drukowanie 3D
Chcesz dowiedzieć się więcej o druku 3D? W takim razie magazyn print24 jest właściwym miejscem dla Ciebie! Wyjaśniamy, czym jest druk 3D, jak działa, jakie materiały i procesy są dostępne oraz jakie benefity z niego płyną. Odkryj z nami fascynujący świat druku 3D!
Druk 3D - Informacje o procesie druku 3D
Świat druku wykonał ogromny krok naprzód wraz z rozwojem druku 3D. Proces drukowania 3D stanowi kamień milowy, który ma ogromne znaczenie dla wielu firm. Wszyscy dostawcy lub producenci części zamiennych, małych partii lub prototypów mogą produkować je szybciej i łatwiej, co oznacza, że procesy biznesowe zostały znacznie przyspieszone i uproszczone dzięki procesowi drukowania 3D. Dowiedz się dokładnie, czym jest druk 3D, gdzie leżą jego początki, jakie są różne procesy i jakie są jego zalety na print24!
Definicja druku 3D
Druk 3D jest również znany jako produkcja addytywna lub generatywna. Ideą tego procesu produkcyjnego jest przekształcenie modelu numerycznego w model trójwymiarowy. Jest to również pierwotny proces formowania, co oznacza, że ciało stałe jest wytwarzane z ciała bezkształtnego. Ciało ma geometrycznie zdefiniowany kształt. Podsumowując: druk 3D to tworzenie fizycznych obiektów z plików cyfrowych. Dane cyfrowe są generowane przez modelowanie CAD, dane ze skanerów 3D lub modelowanie 3D, chociaż drukarka 3D nie może odczytać tych danych bezpośrednio. To z kolei wymaga specjalnego oprogramowania, które tłumaczy geometryczny kształt na język maszynowy drukarki za pomocą "kodu G". Oprogramowanie to nazywane jest "slicerem", który dzieli obiekt 3D na poszczególne warstwy. Obiekt jest następnie budowany/drukowany warstwa po warstwie, dlatego nazywa się to produkcją addytywną. Jest to przeciwieństwo produkcji subtraktywnej, w której materiał jest usuwany z istniejących obiektów. Wydruk z drukarki 3D jest trójwymiarowy, co oznacza, że obiekt ma określoną szerokość, długość i wysokość. W związku z tym drukarka 3D pracuje z osią pionową (osią Z) oprócz dwóch zwykłych osi poziomych (osi X i Y).
Budowa i działanie drukarki 3D
Rozróżniamy drukarki 3D otwarte i zamknięte, kompletne urządzenia i zestawy. Podczas gdy większość z nich jest dostarczana w komplecie, zestawy muszą być najpierw zmontowane przez użytkownika. Kompletne urządzenia są zwykle droższe niż zestawy, ale oszczędzasz na montażu. W przypadku zamkniętej drukarki 3D przestrzeń montażowa jest zamknięta. W zależności od tego, gdzie drukarka ma być używana, można wybrać wersję otwartą lub zamkniętą. Zasadniczo drukarka 3D składa się z łoża drukującego/grzewczego, konstrukcji wsporczej, drukowanego obiektu, dyszy, materiału podporowego i materiału do drukowania. Konstrukcja może się jednak nieznacznie różnić w ramach danej technologii. Drukarka 3D działa w następujący sposób zgodnie z powyższą strukturą: Najpierw nagrzewa się łoże grzewcze i dysza. Następnie złoże grzewcze przesuwa się do głowicy drukującej. Stopiony filament (specjalne tworzywa sztuczne, metale lub inne materiały) jest następnie nakładany na łoże grzewcze, aż do ukończenia pierwszej warstwy. Po ukończeniu pierwszej warstwy, łoże grzewcze przesuwa się w dół na odległość jednej wysokości warstwy, mierzonej w mikrometrach. Druga warstwa filamentu jest nakładana na poprzednią i stapiana z nią. Jeśli występują obszary zwisu, możliwe jest użycie struktury nośnej wykonanej z tego samego materiału lub innego, przy czym alternatywny materiał powinien rozpuścić się w wodzie lub innym roztworze. Ostatni krok jest powtarzany aż do ukończenia obiektu 3D.
Rodzaje procesów druku 3D
Poniżej przedstawiono najczęściej spotykane procesy druku 3D. Istnieje jednak wiele innych wariantów oprócz tych wymienionych. Można wyróżnić następujące procesy druku 3D:
- Selektywne topienie laserowe (SLM)/Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
- Topienie wiązką elektronów (EBM)
- Fused Deposition Modelling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF) (FDM/FFF)
- Stereolitografia (STL/SLA)
- Laser Metal Deposition
- Film Transfer Imaging (FTI)
- Digital Light Processing (DLP)
- Multi Jet-modelowanie / modelowanie wielostrumieniowe
W procesie selektywnego topienia laserowego metal składający się z proszku jest nakładany i topiony przez laser. Żądany obiekt wydruku jest następnie obniżany o grubość warstwy, proszek jest ponownie nakładany i topiony. Drukowanie 3D odbywa się w atmosferze ochronnej; przetwarzane mogą być metale, tworzywa sztuczne, piasek lub ceramika. W przeciwieństwie do tego, selektywne spiekanie laserowe (SLS) nie wykorzystuje czystego proszku metalowego, ale zamiast tego dodaje spoiwo. Specjalny proszek jest również tylko częściowo stopiony, co powoduje sklejanie się materiału. Topienie wiązką elektronów (EBM) również wykorzystuje proszek i przetwarza go w taki sam sposób jak selektywne topienie laserowe, z tą różnicą, że zamiast lasera wykorzystywana jest wiązka elektronów. Magnetycznie zamontowana sprężyna pozycjonuje i prowadzi wiązkę.
W przypadku korzystania z modelowania osadzania topionego / wytwarzania topionego filamentu (FDM / FFF), specjalny plastik jest najpierw podgrzewany, a następnie obiekt 3D jest drukowany w arkuszach. Filament jest transportowany za pomocą szpuli do dyszy, skąd jest nakładany na płytę roboczą, gdzie bezpośrednio się zestala. Ponieważ powierzchnia obiektu jest często nieco chropowata po produkcji, należy ją ponownie obrobić. Wynik precyzyjnej pracy jest zadowalający. Utwardzanie płynnego plastiku za pomocą światła UV odbywa się w procesie stereolitografii (STL/SLA). Obiekt 3D wytwarzany jest w kąpieli z płynnego tworzywa sztucznego, przy czym do utwardzenia poszczególnych warstw wykorzystywany jest laser. Wszelkie zastosowane struktury podporowe są usuwane po zakończeniu, a obiekt 3D jest utwardzany. Modele charakteryzują się bardzo wysokim stopniem dokładności. Napawanie laserowe wykorzystuje laser diodowy lub światłowodowy. Nakłada on metalowy proszek lub metalowy drut na obrabiany przedmiot za pomocą dyszy. Podczas korzystania z proszku drukarka 3D działa w pełni automatycznie, dzięki czemu nadaje się do naprawy komponentów lub produkcji prototypów.
Film transfer imaging (FTI) służy do nakładania cienkiej warstwy materiału na folię transportową. Warstwy są tworzone przez oświetlenie, po czym obrabiany przedmiot jest podnoszony i nakładana jest nowa folia. Proces ten trwa do momentu ukończenia obiektu 3D, który charakteryzuje się bardzo wysokim poziomem dokładności. Światłoczułe tworzywa sztuczne są używane jako filamenty w FTI. W cyfrowym przetwarzaniu światła (DLP) obiekt 3D jest tworzony z kąpieli z tworzywa sztucznego. Proces ten jest połączeniem technologii druku 3D STL i FTI, przy czym technologia FTI jest wykorzystywana w taki sam sposób jak FTI. Z drugiej strony, modelowanie wielostrumieniowe wykorzystuje technikę podobną do druku atramentowego. Kilka dysz jest podłączonych do głowicy drukującej, która następnie drukuje model 3D warstwa po warstwie. Modele charakteryzują się bardzo wysokim poziomem szczegółowości, a jako filamenty stosowane są fotopolimery wrażliwe na promieniowanie UV, które są utwardzane światłem.
Materiały do procesów druku 3D
W miarę postępu technologicznego na przestrzeni lat, materiały wykorzystywane do druku 3D musiały być stale dostosowywane. Poniżej przedstawiamy najważniejsze specjalistyczne materiały, takie jak tworzywa sztuczne czy metale:
Plastiki do druku 3D
PLA (poliaktyd) to jeden z najpopularniejszych materiałów do druku 3D. Syntetyczne polimery są poliestrami, są uzyskiwane ze skrobi kukurydzianej, czyli zasobów odnawialnych, są biokompatybilne i nadają się do recyklingu. PLA może być przetwarzany w niskich temperaturach topnienia 70 °C i generalnie zachowuje swój kształt nawet po schłodzeniu. Te dwie właściwości sprawiają, że PLA jest atrakcyjny zarówno dla użytkowników prywatnych, jak i profesjonalnych. PLA jest obecnie dostępny w wielu różnych kolorach. Jedyną wadą tego materiału jest to, że nie jest zbyt sprężysty i odporny na ciepło, przez co nie nadaje się do produkcji elementów poddawanych dużym obciążeniom.
ABS (akrylonitryl-butadien-styren) jest drugim najczęściej stosowanym tworzywem sztucznym w druku 3D i jest również polimerem syntetycznym. Składa się z akrylonitrylu, 1,3-butadienu i styrenu. Korzystnymi właściwościami tego materiału są jego wytrzymałość, sztywność i wytrzymałość. Może być stosowany do prototypowania i wytwarzania produktów końcowych. ABS jest drukowany w temperaturze od 220 do 250 °C i powinien być drukowany w podgrzewanej komorze drukującej lub łożu drukującym. Pozwala to na schłodzenie wytworzonych obiektów i zapobiega ich deformacji. Podobnie jak PLA, ABS jest dostępny w różnych kolorach i jest stosunkowo niedrogi, ale jest mniej popularny wśród użytkowników prywatnych ze względu na wysokie temperatury związane z drukowaniem 3D. Nie posiada również wystarczającej odporności na warunki atmosferyczne.
PEEK (polieteroeteroketon) to syntetyczne polimery z grupy polieteroketonów. Mogą być używane do drukowania obiektów o wysokiej sprężystości i odporności na temperaturę. Są również biokompatybilne i odporne chemicznie. Termoplastyczny PEEK jest o około 70% lżejszy niż metale o podobnych właściwościach, ale ma porównywalną stabilność mechaniczną i termiczną. PEEK jest zatem preferowany przez przemysł motoryzacyjny, chemiczny i lotniczy. Jest drukowany w temperaturze od 360 do 380 °C i dlatego jest mniej odpowiedni do użytku prywatnego.
HIPS (polistyren wysokoudarowy) jest również polimerem termoplastycznym i jest wytwarzany przez polimeryzację polibutadienu do polysterolu. Charakteryzuje się wysoką udarnością i twardością i może być rozpuszczany w chemikaliach. Dzięki temu jest szczególnie odpowiedni jako materiał nośny dla innych polimerów. Jest usuwany chemicznie, dzięki czemu nawet ścisłe tolerancje mogą być przestrzegane w produkowanych komponentach.
PA (nylon/poliamid) ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie, topi się w temperaturze 250 °C i jest nietoksyczny. Obiekty 3D wykonane z nylonu są wytrzymałe i odporne na uszkodzenia. Nylon nie jest uszkadzany przez większość popularnych chemikaliów i jest niedrogi. Wadą tego materiału jest jednak to, że nie nadaje się on do użytku prywatnego ze względu na wysokie temperatury topnienia i wymaga zarówno podgrzewanego stołu drukarskiego, jak i białego kleju, aby przylegał do stołu drukarskiego podczas drukowania 3D.
PET (politereftalan etylenu) jest prawdopodobnie znany większości ludzi z butelek na napoje. Jest to również jego zaleta, ponieważ PET jest bezpieczny dla żywności i może być używany do pakowania. Ponieważ podczas procesu topienia nie powstają żadne opary, drukowanie 3D z PET nie wymaga ogrzewanego pomieszczenia do drukowania. To sprawia, że aplikacja ta jest popularna w sektorze prywatnym. Obiekty 3D wykonane z PET są stosunkowo wytrzymałe, ale jednocześnie elastyczne.
PETG (PET z glikolem) osiąga wysoki poziom przezroczystości materiału poprzez modyfikację glikolem. Poprawia to również właściwości drukowania. Skutkuje to niższą temperaturą topnienia i mniejszą krystalizacją. PETG może być wytłaczany szybciej niż PET i jest odporny na warunki atmosferyczne. Z tego powodu jest często używany do produkcji mebli i sprzętu ogrodowego, a także wazonów.
Metale do druku 3D
Oprócz wspomnianych wcześniej tworzyw sztucznych, w druku 3D można wykorzystywać również metale.
Aluminium lub stopy aluminium imponują w druku 3D wytrzymałością i dobrymi właściwościami termicznymi. Obiekty 3D są również lekkie i mogą być elastycznie przerabiane. Przemysł motoryzacyjny, lotniczy i kosmiczny czerpie korzyści z zastosowania stopów aluminium; części silnika, obudowy, formy, prototypy, kanały powietrzne i wiele innych są produkowane przy użyciu druku 3D.
Tytan lub stopy tytanu są jednymi z najbardziej znanych w druku 3D z metali. Charakteryzuje się on wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i niskim ciężarem właściwym. Materiał ten jest odporny na korozję i może być stosowany w wielu środowiskach o wysokich wymaganiach technicznych, takich jak lotnictwo. Urządzenia medyczne, części zamienne, funkcjonalne prototypy lub części końcowe to najczęstsze obiekty 3D wykonane ze stopów tytanu.
Kolejnym metalem wykorzystywanym w druku 3D jest stal nierdzewna/stop stali nierdzewnej. Jest ona niskowęglowa i wysoce odporna na korozję. Komponenty wytwarzane w ten sposób mają również doskonałą wytrzymałość, dobre właściwości termiczne i wysoką ciągliwość. Druk 3D ze stali nierdzewnej jest preferowany w przypadku elementów maszyn lub zastosowań bezpiecznych dla żywności.
Oprócz tworzyw sztucznych i metali, ceramika, piasek, beton i szkło również należą do materiałów wykorzystywanych w druku 3D.
Historia druku 3D - kto wynalazł drukarkę 3D?
Historia druku 3D sięga XIX wieku. W 1859 roku Francuz François Willème, który pracował jako fotograf i rzeźbiarz, wynalazł aparat, który umożliwił stworzenie modelu 3D za pomocą kilku kamer. W 1892 roku Austriak Joseph E. Blanther złożył wniosek o patent na produkcję map reliefowych. Aby je wyprodukować, laminowano płyty woskowe, z których wycinano pożądany kształt i sklejano je ze sobą. W ten sposób powstała mapa 3D składająca się z kilku warstw.
Po tym, jak druk 3D nie doczekał się dalszego znanego rozwoju przez kilka dekad w XX wieku, japoński wynalazca Hideo Kodama w końcu złożył wniosek o kolejny patent w 1980 roku: Opisał w nim, w jaki sposób materiał fotopolimerowy utwardza się za pomocą światła UV, tworząc w ten sposób model warstwa po warstwie, co jest odpowiednikiem zasady stereolitografii. Ponieważ nie był w stanie opłacić wniosku patentowego z powodu trudności finansowych, stał się mniej znany. W 1884 roku Francuzi Alain le Méhauté, Olivier de Witte i Jean-Claude André próbowali uzyskać patent na proces, w którym ciecz jest utwardzana za pomocą źródła światła. Nazwali to również stereolitografią. Jednak instytut badawczy, z którym się skontaktowali, nie był w stanie rozpoznać potencjału wynalazku i wstrzymał projekt. Ostatecznie to Amerykanin Chuck W. Hull złożył wniosek patentowy trzy tygodnie później. Już w 1981 roku wynalazł on stereolitografię, która po raz pierwszy została zastosowana w praktyce w 1983 roku. W 1985 roku dostępny był pierwszy program do projektowania 3D, a w 1986 roku założył znaną obecnie na całym świecie firmę 3D Systems. W 1988 roku na rynku pojawiła się pierwsza drukarka 3D (maszyna SLA-1).
W 1992 roku w DTM wyprodukowano pierwszą maszynę do selektywnego spiekania laserowego, która wykorzystywała proces napromieniowywania proszku światłem lasera. Następnie pojawiła się drukarka 3D firmy Z Corp, która wykorzystywała proces rozpylania spoiwa. Pod koniec lat 90. możliwe było przetwarzanie metali, a także tworzyw sztucznych i uruchomiono kolejne programy CAD. W 2000 roku produkcja addytywna nabrała rozpędu i została wprowadzona do sektora medycznego. Po raz pierwszy wydrukowany w 3D organ został wszczepiony człowiekowi. Lata 2000 charakteryzowały się dalszym rozwojem. Drukarki 3D były teraz w stanie produkować części dla innych drukarek 3D i trafiły do miejsc pracy. Od 2010 r. nowe modele były również w stanie drukować prototypy samochodowe, drukarki 3D do żywności, pierwsze drukowane w 3D komponenty dla stacji kosmicznych oraz protezy szczęki i kości. Małe i średnie firmy również skorzystały na druku 3D, który umożliwił im tańszą produkcję prototypów. Najbardziej produktywnym procesem produkcji addytywnej tworzyw sztucznych jest obecnie proces Multi Jet Fusion, w którym powstałe obiekty mają jednorodną powierzchnię i prawie pozbawioną porów gęstość materiału.
Co przyniesie przyszłość? Jest bardzo prawdopodobne, że technologia druku 3D rozwinie się w kierunku produkcji seryjnej, ponieważ coraz więcej materiałów może być drukowanych w krótszym czasie i w wyższej jakości.
>Wysokiej jakości produkty do drukowania w print24
Z nami możesz wydrukować pożądany obiekt do celów reklamowych lub codziennego życia biurowego. print24 oferuje szeroki wybór produktów do drukowania, które dostarczamy szybko i w wysokiej jakości. Drukuj obiekty w dużym formacie, Produkty tekstylne lub Produkty fotograficzne są również częścią naszej oferty. Wystarczy wybrać żądane produkty do drukowania i dostosować je
