3D tiskanje

Svet tiskanja je z razvojem 3D tiskanja naredil velik korak naprej. Proces 3D tiskanja je mejnik, ki je velikega pomena za širok krog podjetij. Vsi dobavitelji ali proizvajalci rezervnih delov, majhnih serij ali celo prototipov lahko hitreje in enostavneje izdelajo, tako da so procesi podjetja izjemno pospešeni in poenostavljeni s postopkom 3D tiskanja. Pri print24 lahko natančno izveste, kaj pomeni 3D tiskanje, od kod izvira, kateri različni postopki so na voljo in kakšne so prednosti!

Opredelitev 3D tiskanja

3D-tiskanje imenujemo tudi aditivna ali generativna proizvodnja. Ideja tega proizvodnega procesa je pretvorba numeričnega modela v tridimenzionalni model. Poleg tega spada med urforming proizvodne postopke, kar pomeni, da iz brezobličnega nastane trdno telo. Telo ima geometrijsko določeno obliko. Če povzamemo, je 3D tiskanje ustvarjanje fizičnih predmetov iz digitalnih datotek. Digitalni podatki so ustvarjeni z modeliranjem CAD, podatki iz 3D skenerjev ali 3D modeliranjem, vendar jih 3D tiskalnik ne more neposredno prebrati. To pa zahteva programsko opremo, ki prevede geometrijsko obliko v strojni jezik tiskalnika prek G-kode". Programska oprema se imenuje "rezalnik", ki 3D-predmet razdeli na posamezne plasti. Predmet se nato sestavi/natisne plast za plastjo, od tod tudi ime aditivna proizvodnja. To je v nasprotju s subtraktivno proizvodnjo, pri kateri se material odstrani iz obstoječih predmetov. Izpis 3D tiskalnika je tridimenzionalen, kar pomeni, da ima predmet vnaprej določeno širino, dolžino in višino. 3D tiskalnik deluje z navpično osjo (os Z) poleg dveh običajnih vodoravnih osi (os X in Y).

Zgradba in funkcija 3D tiskalnika

Med 3D-tiskalniki je mogoče razlikovati med odprtimi in zaprtimi tiskalniki, celotnimi napravami in kompleti. Medtem ko je večina dobavljenih kompletnih, mora komplete najprej sestaviti uporabnik. Celotne naprave so običajno dražje od kompletov, vendar si prihranite montaža. V primeru zaprtega 3D-tiskalnika je namestitveni prostor zaprt. Glede na to, kje se bo tiskalnik uporabljal, lahko izberete odprto ali zaprto različico. V osnovi je 3D-tiskalnik sestavljen iz tiskalne/grelne postelje, podpore struktura, predmet tiskanja, šoba, podporni material in material za tiskanje. Vendar se konstrukcija lahko nekoliko razlikuje glede na tehnologijo. V skladu s prej omenjeno konstrukcijo 3D-tiskalnik deluje na naslednji način: najprej se grelna postelja in šoba segrejeta. Nato segreje postelja se premakne navzgor do tiskalne glave. Staljena nitka (posebna plastika, kovine ali drugi materiali) se nato nanese na grelno posteljo, dokler prva plast ni dokončana. Ko je prva plast končana, ogrevana postelja potuje navzdol za eno plast višina, tukaj merjena v mikronih. Druga plast filamenta se nanese na prejšnjo in zlije z njo. Če obstajajo območja previsov, je možno uporabiti nosilno konstrukcijo iz enakega ali drugega materiala, pri čemer naj se alternativni material raztopi v vodi ali celo drugi raztopini. Zadnji korak se ponavlja, dokler 3D objekt ni končan.

Vrste postopkov 3D tiskanja

V nadaljevanju bodo predstavljeni najpogostejši postopki 3D tiskanja. Poleg omenjenih obstaja še veliko drugih variant. V osnovi lahko ločimo naslednje postopke 3D tiskanja:

• Selektivno lasersko taljenje (SLM)/selektivno lasersko sintranje (SLS)
• Taljenje z elektronskim žarkom (EBM)
• Modeliranje taljenega nanašanja/izdelava taljenih filamentov (FDM/FFF)
• Stereolitografija (STL/SLA)
• Lasersko nadgradno varjenje
• Slikanje s prenosom filma (FTI)
• Digitalna obdelava svetlobe (DLP)
• Multi jet modeliranje / poli jet modeliranje

V procesu selektivnega laserskega taljenja se kovina, sestavljena iz prahu, nanese in stopi z laserjem. Želeni tiskovni predmet nato znižamo za debelino sloja, ponovno nanesemo prah in zlijemo. 3D tiskanje poteka v zaščitni atmosferi; lahko obdelamo kovine, plastiko, pesek ali keramiko. Nasprotno pa selektivno lasersko sintranje (SLS) ne uporablja čistega kovinskega prahu, temveč doda vezivo. Poseben prah je tudi le delno stopljen, kar povzroči sprijemanje materiala. Taljenje z elektronskim žarkom (EBM) prav tako uporablja prah in ga obdeluje na enak način kot selektivno lasersko taljenje, le da se namesto laserja uporablja elektronski žarek. Magnetno podprta vzmet ga pozicionira in usmerja.

Pri uporabi modeliranja nanosa s taljenjem/izdelave filamentov s taljenjem (FDM/FFF) se posebna plastika najprej segreje, nato pa se 3D-predmet natisne v liste. V tem procesu se filament transportira preko tuljave do šobe, od koder se nanese na gradbeno ploščo, kjer se neposredno strdi. Ker je površina predmeta po izdelavi pogosto nekoliko hrapava, jo je potrebno predelati. Rezultat natančnega dela je zadovoljiv. Utrjevanje tekoče plastike s pomočjo UV svetlobe poteka v procesu stereolitografije (STL/SLA). 3D-predmet je izdelan v kopeli iz tekoče plastike z uporabo laserja za strjevanje posameznih plasti. Vse uporabljene podporne strukture se po zaključku odstranijo in 3D-predmet se strdi. Modeli imajo zelo visoko natančnost. Pri laserskem varjenju se uporablja diodni ali fiber laser. Na obdelovanec s pomočjo šobe nanese kovinski prah ali kovinsko žico. Pri uporabi prahu 3D tiskalnik deluje popolnoma samodejno, zaradi česar je primeren za uporabo pri popravilu komponent ali izdelavi prototipov.

Film Transfer Imaging (FTI) vključuje nanašanje tankega filma materiala na transportno folijo. Plasti nastanejo z osvetljevanjem, pri čemer se obdelovanec dvigne in nato nanese nov film. Ta postopek se nadaljuje, dokler ni dokončan 3D-predmet, ki ima zelo visoko stopnjo natančnosti. Kot filament v FTI se uporablja svetlobno občutljiva plastika. Pri digitalni obdelavi svetlobe (DLP) je 3D-predmet ustvarjen iz plastične kopeli. Postopek je mešanica tehnologije 3D tiskanja STL in FTI, pri čemer se uporablja tehnologija FTI kot pri RTI. Multi Jet Modelling/Poly Jet Modelling na drugi strani uporablja tehniko, ki je podobna tisti pri brizgalnih tiskalnikih. Tukaj je več šob pritrjenih na tiskalno glavo, ki nato plast za plastjo natisne 3D model. Modele odlikuje zelo visoka stopnja podrobnosti, kot filamenti pa so uporabljeni fotopolimeri, občutljivi na UV žarke, ki se strdijo s svetlobo.

Materiali za procese 3D tiskanja

Zaradi napredka tehnologije je bilo treba skozi leta material za 3D-tiskanje temu vedno znova prilagajati. Najpomembnejše specializirane materiale, kot so plastika ali kovine, predstavljamo v nadaljevanju:

Plastika za 3D tisk

PLA (polyactide) je eden najbolj priljubljenih materialov za 3D tiskanje. Sintetični polimeri spadajo v skupino poliestrov, pridobivajo se iz koruznega škroba, torej regenerativnih virov, so biokompatibilni in jih je mogoče reciklirati. PLA se lahko obdeluje že pri nizkih temperaturah taljenja 70 °C in na splošno ostane dimenzijsko stabilen tudi pri ohlajanju. Zaradi teh dveh lastnosti je PLA privlačen tako za zasebne kot za profesionalne uporabnike. PLA je zdaj na voljo v številnih različnih barvah. Edina slabost materiala je, da je le malo robusten in toplotno odporen, tako da ni primeren za izdelavo visoko obremenjenih komponent.

ABS (akrilonitril butadien stiren) je drugi najpogosteje uporabljen plastični material v 3D tiskanju in je tudi sintetični polimer. Izdelan je iz akrilonitrila, 1,3 butadiena in stirena. Prednostne lastnosti so trdnost, togost in žilavost materiala. Lahko se uporablja za izdelavo prototipov in izdelavo končnih izdelkov. ABS se tiska pri 220 do 250 °C in ga je treba tiskati v ogrevanem tiskalnem prostoru ali tiskalni postelji. Pri tem se lahko izdelani predmeti ohladijo in preprečijo deformacije. Tako kot PLA je tudi ABS na voljo v različnih barvah in je razmeroma poceni, vendar je zaradi visokih temperatur, ki so vključene v 3D-tiskanje, manj priljubljen pri zasebnih uporabnikih. Prav tako nima zadostne vremenske odpornosti.

PEEK (polietereterketon) so sintetični polimeri iz skupine polieterketonov. Uporabljajo se lahko za tiskanje zelo prožnih in temperaturno odpornih predmetov. So tudi biokompatibilni in odporni na kemikalije. Termoplast PEEK je pribl. 70 % lažji od kovin s podobnimi lastnostmi, vendar ima primerljivo mehansko in termično stabilnost. Avtomobilski sektor, kemična industrija in vesoljska industrija zato raje uporabljajo PEEK. Tiska se pri 360 do 380 °C in zato ni preveč primeren za zasebno rabo.

HIPS (High Impact Polystyrene) prav tako spada med termoplastične polimere in se proizvaja s polimerizacijo polibutadiena v polisterol. Ima visoko udarno trdnost in trdoto ter se lahko raztopi v kemikalijah. Zaradi tega je še posebej primeren kot nosilni material za druge polimere. Je kemično odstranjen, tako da se lahko ohranijo tudi stroge tolerance v izdelanih komponentah.

PA (najlon/poliamid) ima visoko natezno trdnost, topi se pri 250 °C in ni strupen. 3D-predmeti, ustvarjeni z najlonom, so močni in odporni na poškodbe. Najlona večina običajnih kemikalij ne poškoduje in je poceni. Pomanjkljivost tega materiala pa je, da zaradi visokih temperatur taljenja ni primeren za zasebno uporabo in zahteva tako ogrevano tiskalno podlago kot belo lepilo, da se prilepi na tiskalno podlago med 3D-tiskanjem.

Večina ljudi verjetno pozna PET (polietilen tereftalat) iz plastenk za pijače. Tu je tudi prednost, saj je PET varen za hrano in se lahko uporablja za embalažo. Ker med postopkom taljenja ne nastajajo hlapi, 3D-tiskanje s PET ne potrebuje ogrevanega prostora za tiskanje. Zaradi tega je aplikacija priljubljena v zasebnem sektorju. 3D objekti iz PET so razmeroma robustni, a hkrati tudi fleksibilni.

PETG (PET z glikolom) z modifikacijo z glikolom doseže visoko prosojnost materiala. To tudi izboljša lastnosti tiskanja. Posledica tega je nižja temperatura taljenja in manjša kristalizacija. PETG je mogoče ekstrudirati hitreje kot PET in je odporen na vremenske vplive. Zato se pogosto uporablja za vrtno pohištvo in orodje ter vaze.

Kovine za 3D tiskanje

Poleg omenjene plastike je pri 3D-tisku mogoče uporabiti tudi kovine.

Aluminij ali aluminijeve zlitine so pri 3D tiskanju prepričljive s svojo trdnostjo in dobrimi toplotnimi lastnostmi. Poleg tega so 3D-predmeti lahki in jih je mogoče prilagodljivo predelati. Avtomobilska, vesoljska in letalska industrija ima koristi od uporabe aluminijevih zlitin; deli motorjev, ohišja, kalupi, prototipi, zračni kanali in še veliko več se proizvajajo s 3D tiskanjem.

Titan ali titanove zlitine so med najbolj znanimi pri 3D tiskanju s kovinami. Ima izjemne mehanske lastnosti in hkrati le nizko specifično težo. Material je odporen proti koroziji in se lahko uporablja v številnih okoljih z visokimi tehničnimi zahtevami, kot je letalstvo. Medicinski pripomočki, rezervni deli, funkcionalni prototipi ali deli za končne uporabnike so najpogostejši 3D objekti iz titanovih zlitin.

Druga kovina, ki se uporablja pri 3D tiskanju, je nerjavno jeklo/zlitina nerjavnega jekla. Vsebuje malo ogljika in je zelo odporen proti koroziji. Ustrezno izdelani deli imajo tudi odlično trdnost, dobre toplotne lastnosti in visoko duktilnost. 3D-tiskanje z nerjavečim jeklom se prednostno uporablja za strojne komponente ali aplikacije, varne za hrano.

Poleg plastike in kovin so med materiali, ki se uporabljajo pri 3D tiskanju, tudi keramika, pesek, beton in steklo.

Zgodovina 3D tiskanja - kdo je izumil 3D tiskalnik?

Zgodovina 3D tiskanja sega v 19. stoletje. Leta 1859 je Francoz François Willème, ki je delal kot fotograf in kipar, izumil aparat, ki je omogočil izdelavo 3D modela s pomočjo več kamer. Leta 1892 je Avstrijec Joseph E. Blanther prijavil patent za izdelavo reliefnih kart. Za izdelavo teh zemljevidov so takrat plastificirali voščene plošče in iz njih izrezali želeno obliko ter jih prilepili eno na drugo. To je ustvarilo 3D-zemljevid v več slojih.

Potem ko v 20. stoletju več desetletij ni bilo več znanega razvoja 3D-tiskanja, je japonski izumitelj Hideo Kodama leta 1980 končno prijavil še en patent: v tem je opisal, kako se fotopolimerni material strdi z uporabo UV svetlobe in na ta način ustvari model plast za plastjo, kar je podobno principu stereolitografije. Ker zaradi finančnih težav ni mogel nadaljevati plačevanja patentne prijave, je izgubil slavo. Leta 1984 so Francozi Alain le Méhauté, Olivier de Witte in Jean-Claude André skušali pridobiti patent za postopek, pri katerem se tekočina strdi z virom svetlobe. Temu so rekli tudi stereolitografija. Vendar raziskovalni inštitut, s katerim smo kontaktirali, ni videl potenciala izuma in je projekt ustavil. Končno je bil Američan Chuck W. Hull, ki je tri tedne pozneje prijavil patent. Že leta 1981 je izumil stereolitografijo, ki je bila prvič uporabljena v praksi leta 1983. Leta 1985 je bil na voljo prvi program za 3D oblikovanje, leta 1986 pa je ustanovil danes svetovno znano podjetje 3D Systems. Leta 1988 je bil na trgu prvi 3D tiskalnik (stroj SLA-1).

Leta 1992 so v DTM izdelali prvi stroj za selektivno lasersko sintranje, ki je prah obseval z lasersko svetlobo po postopku. Sledil je 3D-tiskalnik podjetja Z Corp, ki je uporabil postopek brizganja veziva. Do konca devetdesetih let prejšnjega stoletja je bilo mogoče poleg plastike obdelovati tudi kovine in izdanih je bilo več programov CAD. V letu 2000 je aditivna proizvodnja dobila zagon, kar se je uveljavilo v medicini. Prvič so v človeka vsadili 3D-natisnjen organ. Leta 2000 je zaznamoval nadaljnji razvoj. 3D-tiskalniki so zdaj lahko izdelovali dele za druge 3D-tiskalnike in vstopili so na delovno mesto. Od leta 2010 so novi modeli lahko tiskali tudi prototipe avtomobilov, pojavili so se 3D-tiskalniki za hrano, prve 3D-natisnjene komponente za vesoljske postaje ter čeljustne in kostne proteze. Prav tako so mala in srednje velika podjetja imela koristi od 3D tiskanja, ki jim je omogočilo cenejšo izdelavo prototipov. Najbolj produktiven aditivni postopek proizvodnje plastike je trenutno postopek Multi Jet Fusion, pri katerem imajo nastali predmeti homogeno površino in gostoto materiala skoraj brez por.

Kaj torej prinaša prihodnost? Zelo verjetno se bo tehnologija 3D tiska razvijala v smeri masovne proizvodnje, saj je vedno več materialov mogoče natisniti v krajšem času in kvalitetno.

Visokokakovostni tiskarski izdelki pri print24

Pri nas lahko natisnete želeni predmet za reklamne namene ali pisarniško vsakdanje življenje. print24 vam ponuja ogromen nabor tiskarskih izdelkov, ki vam jih dostavimo hitro in kvalitetno. Del naše ponudbe so tudi objekti za tisk velikih formatov, tekstilni izdelki ali foto izdelki. Preprosto izberite želene tiskarske izdelke in jih oblikujte individualno!