Vše, co potřebujete vědět o 3D tisku!

Pokud se budeme bavit o různých segmentech trhu, je 3D tisk jednou z nejrozšířenějších technologií. Když však začínáme zkoumat jeho pojmový význam a historii, je stále co vědět.

Tento článek zahájí hloubkovou diskusi o historii 3D tisku, jeho hlavních trzích, procesech a používaných materiálech.

Bez dalšího zdržování začněme diskusi!

Přehled historie 3D tisku

Historii 3D tisku lze vysledovat až do 1980. let minulého století v Japonsku, kdy Hideo Kodama hledal způsob, jak vytvořit zrychlený a rychlejší systém prototypování. Byl to jeden z prvních pokusů o nalezení přístupu vrstvy po vrstvě, který by bylo možné aplikovat i na výrobu. Jako výsledek svých experimentů vyvinul Hideo diferencovaný přístup vhodný pro výrobu, zahrnující použití fotocitlivé pryskyřice. Navíc byl polymerizován pomocí ultrafialového světla. Přestože jeho vynález ještě není patentován, je mu připisováno, že je prvním vynálezcem prvních systémů pro výrobu 3D tisku.

Hlavní růst 3D tisku byl zaznamenán mezi lety 1990 a 2010, kdy tisíce společností a startupů začaly experimentovat s různými technologiemi aditivní výroby. Toto desetiletí proto znamená začátek významného rozvoje technologie 3D tisku, zejména ve výrobě.

Hlavní metody 3D tisku

Technologie 3D tisku zahrnuje řadu různých výrobních procesů, ve kterých se požadované materiály vytvářejí vrstva po vrstvě. Stávající procesy 3D tisku v jakékoli podobě nabízejí konstruktérovi širokou škálu možností a usnadňují mu výběr toho nejideálnějšího a nejvhodnějšího postupu. Zde jsou některé z předních procesů 3D tisku:

Stereolitografie (SLA)

Stereolitografie, označovaná také jako původní průmyslový proces 3D tisku, je ideální pro výrobu dílů s velkými detaily a hladkým povrchem. Výsledná kvalita stereolitografických dílů vypadá dobře a může pomoci otestovat funkci a lícování sestavy. Tento tiskový proces se používá mimo jiné v medicíně a pro anatomické modely.

Multi-Jet Fusion

Tento proces je velmi podobný předchozím metodám, protože pomáhá vytvářet funkční díly z nylonového prášku. V multi-jet fusion se inkoustové tiskárny používají k nanášení fixačního činidla na vrstvu nylonového prášku. Po vybudování této vrstvy se přes jednotlivé vrstvy vede topný článek, aby se spojily dohromady. Ve srovnání s jinými procesy je tento proces také snáze mechanicky ovladatelný a nabízí lepší kvalitu povrchu. Proto je tato metoda ideální, protože kombinuje výhody tradičních metod se zrychlením doby výstavby, což vede k lepší kvalitě výroby.

PolyJet

Jde o oblíbený proces 3D tisku, který umožňuje vytvářet díly s různými vlastnostmi, včetně materiálů a barev. Pomocí této metody mohou konstruktéři vylepšit technologii výroby vstřikovaných dílů a prototypů. Design je však jednotný a tuhý. Proto je obvykle ideální zůstat u konvenčních postupů. Když proces zahrnuje také prototypování stávající struktury, tento proces eliminuje potřebu investovat do časných vývojových cyklů a navrhovat rychleji, aby se ušetřily potřebné zdroje.

Selektivní laserové slinování (SLS)

Selektivní laserové slinování je proces 3D tisku, který taví prášek na bázi nylonu a mění ho na pevný plast. Protože tento proces vytváří díly ze skutečného termoplastického materiálu, je výsledný materiál také odolný a ideální pro funkční testování. Díly vyrobené tímto procesem jsou oproti jiným metodám pevné, ale mají hrubší povrch. Tento proces také eliminuje potřebu nosné konstrukce, takže je ideální pro větší objemy, které nejsou běžné u jiných procesů 3D tisku.

tavení elektronového paprsku

Tavení elektronovým paprskem je dalším důležitým procesem 3D tisku. Je velmi oblíbený, protože využívá elektronový paprsek regulovaný a řízený elektromagnetickou cívkou, která pomáhá roztavit kovový prášek. To zvyšuje teplotu lakovacího lože a stabilizuje podmínky vakua během nanášení. Teplota také určuje materiál použitý k roztavení dílů. Dalším důvodem, proč je tavení elektronovým paprskem tak rozšířené, je to, že pomáhá integrovat technologii 3D tisku, takže zdroje použité v procesu nejsou plýtvány.

Digitální zpracování světla (DLP)

Tento proces je velmi podobný selektivnímu laserovému slinování v tom, že pomáhá zlepšit kvalitu tekuté pryskyřice pomocí světla. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma metodami je v tom, že digitální zpracování světla využívá digitální světelné projekční plátna. Naproti tomu druhá metoda využívá UV laser. To znamená, že technologie digitálního zpracování světla využívá 3D tiskárny, které dokážou vytvořit celou vrstvu obrázků najednou, čímž se zvýší celková rychlost sestavení. I když se tato technika často používá k urychlení procesu prototypování, je také užitečná pro malosériovou výrobu jednotek, včetně plastových dílů.

Modelování pomocí Fused Deposition (FDM)

Je to jeden z nejběžnějších procesů 3D tisku pro stolní počítače, který se používá speciálně pro plastové díly. Fused Deposition Modeling je také levný a srovnatelný proces difúze, když je třeba vytvořit fyzické modely. Jakákoli 3D tiskárna používaná pro modelování tavené depozice pomáhá vytlačovat plastová vlákna fragmentací jednotlivých vrstev a vytvořením celé platformy. Tato metoda je také ideální pro funkční testování, ale technologie je obvykle omezená, protože díly mají relativní referenční povrch a nedostatečnou pevnost.

Přímé spékání kovů laserem

Jedná se o kovový 3D tiskový proces, který rozšiřuje stávající a možné možnosti pro navrhování kovových dílů. Tento proces se nejčastěji používá ke snížení objemu kovu používaného při zpracování a k sestavení vícedílných funkcí do jediné součásti. Kromě toho je také ideální pro výrobu lehkých součástí s vnitřními kanály se speciálně navrženými vlastnostmi. Tento proces je také ideální pro prototypování a výrobu, protože používá díly, které jsou dostatečně husté, aby přežily tradiční procesy výroby kovů, jako je odlévání a obrábění. Proto je výroba kovových součástí přímým laserovým spékáním kovů ideální i pro aplikace, kde je klíčovým požadavkem návrh dílů s organickou strukturou.

Hlavní materiály pro 3D tisk

Škála hlavních materiálů pro 3D tisk je stejně široká jako metody, které jsme představili v minulé části. Zde jsou hlavní tiskové materiály používané ve standardních procesech 3D tisku

plastický

Plast je jedním z nejčastěji používaných materiálů pro 3D tisk, protože je to různorodý materiál pro průmyslová odvětví, jako jsou hračky a domácnost. Výrobky vyrobené z plastu technologií 3D tisku umožňují stavbu výrobků s průhledným tvarem a jasnými barvami, které jsou nejčtenější a ceněné především pro svou lesklou texturu. Je to také poměrně cenově dostupná volba, protože je lehký a kapesní pro vývojáře i spotřebitele. Plastové výrobky vyrobené na 3D tiskárnách navíc přicházejí v různých tvarech a konzistencích, což přispívá k další diverzifikaci oblasti použití.

Při klasifikaci typů plastů používaných při 3D tisku se rozlišuje mezi:

Akrylonitrilbutadienstyren (ABS)

Je to jedna z nejspolehlivějších a nejbezpečnějších možností, zejména pro domácí použití nebo jiné osobní použití včetně aplikace 3D tiskárny. Je také známý jako LEGO plast, protože jeho základní materiál se skládá ze struktur podobných nudlím, které poskytují flexibilitu a pevnost. Díky této speciální vlastnosti je tento typ plastu také ideální pro výrobky, jako jsou hračky a samolepky.

Polykarbonát (PC)

I když je polykarbonát méně populární než jiné plasty, nabízí designérům jedinečné konstrukce trysek, které jsou možné pouze při vysokých teplotách. Kromě mnoha dalších kategorií výrobků je polykarbonát vhodný také pro výrobu levných plastů a lisovaných skořepin, díky čemuž je ideální zejména pro tato odvětví.

Polyvinylalkoholový plast (PVA)

Polyvinylalkoholový plast se běžně používá v levných domácích tiskárnách, protože je obvykle vhodným substrátem pro materiály s dostatečnou udržitelností a pozorovatelností. Polyvinylalkoholový plast však není vhodný pro výrobky, které vyžadují vysokou pevnost, ale je cenově výhodnou možností, pokud jde o výrobu předmětů, které jsou určeny pouze k dočasnému použití.

Polylaktid (PLA)

Jedná se o jednu z nejekologičtějších možností pro materiál vhodný pro 3D tisk. Tato kyselina pochází z přírodních zdrojů, jako je kukuřičný škrob a cukrová třtina, a je často dostupná v tvrdé i měkké formě. Navíc je vyrobena z pevných materiálů a je tak vhodná pro širokou škálu produktů. Technici a designéři jej proto často považují za jednu z nejuniverzálnějších a nejekologičtějších možností procesů 3D tisku, včetně použití plastu.

Pulver

I při moderních procesech 3D tisku se často používají různé druhy prášku k vytvoření široké škály produktů. Vzhledem k tomu, jak fungují 3D tiskárny, se však prášky obvykle roztaví a rozloží ve vrstvách, dokud se nedosáhne požadované tloušťky, textury a vzoru. Tento prášek může pocházet v různých formách a z různých zdrojů a materiálů. Mezi ty nejběžnější však patří následující –

polyamid (PA)

Tento typ prášku, známý svou silou a flexibilitou, umožňuje vysokou úroveň detailů při výrobě 3D tištěných produktů. Je také ideální pro sestavování dílů a spojování různých dílů pro vytváření 3D tištěných modelů. Pomáhá také při tisku všeho možného od klik a západek až po kreativní figurky a autíčka.

aluminid

Alumide je směs šedého hliníku, hliníkového prášku a polyamidu, což z něj dělá jeden z nejstabilnějších 3D tištěných modelů. Má také zrnitou a pískovou texturu, takže je ideální pro průmyslové modely a prototypy, které vyžadují vysokou pevnost. Kromě toho je v práškové formě srovnatelně snazší přepravovat a formovat do jakéhokoli požadovaného tvaru, který produkt potřebuje. Proto má vyšší hodnotu ve srovnání s jinými práškovými formami běžně používanými ve 3D tisku.

Syntetická pryskyřice

Syntetické pryskyřice jsou jedním z nejméně používaných materiálů ve 3D tisku. Ve srovnání s jinými materiály se pryskyřice používají pro omezené aplikace a nabízejí omezenou bezpečnost a pevnost konečného produktu. Jsou vyrobeny z tekutých polymerů, které mají delší expozici UV záření, a proto jsou obvykle dostupné v černé, bílé a čiré verzi. Různé produkty a varianty však lze vyrobit i v barvách oranžové, červené, modré a zelené. Pryskyřice se obvykle dělí do tří různých kategorií, včetně následujících

Natíratelné pryskyřice

Jedná se o hladké povrchové 3D tisky známé pro svou estetiku a pevnost. Tyto pryskyřice se také používají k vytváření obličejových detailů jako např B. znázorňovat víly, které jsou často těžko dostupné.

Průhledná pryskyřice

Toto je nejdůležitější kategorie pryskyřice, protože se nejlépe hodí pro 3D tištěné produkty. Vyznačují se hladkým povrchem a průhledným vzhledem, díky čemuž jsou ideální volbou pro syntetické pryskyřice. Čiré a barevné varianty průhledných pryskyřic se však nejčastěji používají k výrobě šachových figurek, figurek a drobných doplňků do domácnosti, které mají typicky průhledné povrchy.

Vysoce detailní pryskyřice

Ty se obecně používají pro malé modely, které potřebují mít složité a jemné detaily. Například vysoce detailní pryskyřice se nejčastěji používají k výrobě 4palcových prstů, které obsahují složité šatní struktury a detaily potištěné touto kategorií pryskyřic.

kovy

Kovy patří také mezi nejoblíbenější materiály pro 3D tisk. Nejčastěji se používají při přímém laserovém spékání kovů a dalších vhodných procesech. Techniky využívající kovy zahrnují výrobu leteckého vybavení, které vyžaduje 3D tisk těžkých kovů pro urychlení a zjednodušení návrhu dílů. Kovy se běžně používají i při výrobě šperků. V takových případech musí být výroba rychlá a ve velkém množství. Nabízí se tedy možnost vytvořit detailnější dílo pomocí technologie 3D tisku.

Využití kovů ve 3D tisku se nejčastěji využívá v leteckém průmyslu k výrobě vstřikovačů paliva pro proudové motory. Odhaduje se, že výroba do roku 2020 vzroste o 10 %, což ukazuje na rostoucí využití kovů ve 3D tisku v leteckém průmyslu. V procesu tisku pomáhají kovy dosáhnout určité tvrdosti, takže tiskaři mohou tyto materiály přímo použít k výrobě kovových dílů. Jakmile produkt dosáhne konečného zpracování, je elektrolyticky leštěn a předán dalšímu segmentu trhu.

Uhlíkové vlákno

Uhlíkové vlákno je kompozitní materiál používaný ve 3D tiskárnách jako vrchní vrstva nad plastovými materiály. Hlavním účelem použití uhlíkových vláken ve 3D tisku je vyztužení plastu, protože tato kombinace poskytuje rychlejší a pohodlnější alternativu ke kovu.

papír

Papír se používá při 3D tisku, když návrhy vyžadují realističtější prototyp než 2D ilustrace. Takové integrace umožňují 3D tištěným modelům zprostředkovat hlavní myšlenku návrhu s větší přesností a detaily. Kromě toho činí konečný produkt přesvědčivým a přitažlivým a dává lepší pocit technického génia, který vstoupil do procesů k dosažení požadovaného výsledku.

grafit

I když grafit nepatří mezi nejběžnější materiály pro 3D tisk, pomalu si získává oblibu díky své vodivosti a pevnosti. Tento materiál je ideální pro výrobu výrobků, které vyžadují mnohem větší flexibilitu, jako např B. solární panely a stavební díly.

Materiály pro vysoké teploty ve 3D tisku

Ve 3D tisku, zejména modelování tavené depozice, hrají důležitou roli vysokoteplotní materiály, protože jsou nejnáročnějšími perspektivami. Tyto materiály obvykle vyžadují vyšší teploty než normální materiály a mají výjimečné termochemické a mechanické vlastnosti. Některé z nejznámějších vysokoteplotních materiálů pro 3D tisk zahrnují následující materiály.

Polyetherketonketon (PEEK)

Polyetherketoneketon je jednou z nejoblíbenějších alternativ pro aplikace, které umožňují snadné zpracování s amorfním materiálem. Lidově známý jako PEEK, poskytuje další a zlepšenou adhezní vrstvu, což z něj činí vysoce preferovaný vysokoteplotní materiál, který může také vykazovat vysokou pevnost při tlakovém zatížení.

Je také známý svou vysokou tepelnou odolností ve srovnání s jinými materiály pro 3D tisk, protože má lepší mechanické a chemické vlastnosti, které mu dávají větší tepelnou odolnost. Z tohoto důvodu je polyetherketoneketon jedním z nejoblíbenějších materiálů pro 3D tisk, který je vhodný do vysokých teplot.

ULTEM (PEI)

ULTEM, lépe známý jako polyetherimid, je vysokoteplotní materiál, který nabízí skvělé vlastnosti za extrémně nízkou cenu, což z něj činí jeden z preferovaných vysokoteplotních materiálů pro 3D tisk. Jednou z největších výhod použití jako vysokoteplotního materiálu pro 3D tisk je možnost sterilizace díky vynikající chemické a tepelné odolnosti. Proto je ideální volbou pro četné aplikace, které vyžadují vysokou odolnost, pevnost a tuhost.

Polyvinylidenfluorid (PVDF)

Polyvinylchlorid, nazývaný také PVDF, je známý svou vysokou mechanickou pevností a schopností odolávat teplotám až 150 stupňů Celsia. Je to také vysoce inertní termoplast blízce příbuzný teflonu, což z něj činí jednu z preferovaných možností.

Hlavní trhy pro 3D tisk

Technologie 3D tisku existuje již několik desetiletí a získala si oblibu v různých segmentech trhu a průmyslových odvětvích. Aplikace konzistentního 3D tisku se vyvíjejí, ale na některých klíčových trzích si získaly oblibu.

Zde jsou některé z nejčastějších případů použití z odvětví využívajících 3D tisk:

Medicína

3D tisk je široce používán v medicíně, zejména v biotisku, kde technici potřebují ke studiu struktur podobných tkáním používat materiály, jako jsou buňky a růstové faktory. Aplikace 3D tisku v medicíně také přispívají k širokému používání kovových implantátů pro osteoporózu. Bioprinting také pomáhá 3D tisku umělých orgánů, což může pomoci pacientům s orgánovým selháním, kdy je rychlejší růst nezbytným požadavkem léčby.

stavebnictví

Stavebnictví je dalším oblíbeným případem použití 3D tisku. Betonový 3D tisk je považován za dřívější a levnější způsob výstavby budov. To umožnilo projektantům vytvářet na místě návrhy speciálně přizpůsobené betonovým základům a budovám.

umění a šperky

Oblíbenou aplikací technologie 3D tisku je také sektor umění a šperků. Pokroky ve 3D tisku umožnily a inspirovaly miliony umělců po celém světě k vytvoření jejich přizpůsobených a jedinečných uměleckých děl a šperků pomocí kovového 3D tisku. Zejména v oblasti šperků pomáhají 3D tiskárny designérům experimentovat s designem, který tradiční procesy výroby šperků nemohou. Také pomáhají tvůrcům vytvářet jejich vlastní jedinečné a zakázkové šperky.

Výroba a prototypování

Jak víme, 3D tisk byl nejprve vyvinut pro rychlejší prototypování. Technologie 3D tisku však významně přispěla k růstu segmentu trhu výroby a prototypování. Díky kombinaci technologií cloud computingu nyní společnosti nabízejí spotřebitelům služby aditivní výroby bez nákladů na nákup 3D tiskárny.

Výhled do budoucna

3D tisk jako technologie změnil svět. Neomezuje se pouze na cílové odvětví, ale ovlivňuje také každodenní život milionů spotřebitelů po celém světě. Kromě toho učinil segment spotřebního zboží více personalizovaným a na vyžádání, čímž rozšířil zdroje pro budoucí výrobu.

Při pohledu do budoucna odborníci předpovídají, že 3D tiskárny budou také schopny vytvářet materiály atom po atomu, čímž posunou technologii lehkých konstrukcí na další úroveň. Technologie také pomůže vytvořit lehké a vysoce výkonné materiály. Bylo by však třeba vzít v úvahu i stávající výzvy 3D tisku a aditivní výroby v jednotlivých odvětvích. Stávající technologie je na cestě ke zlepšení a zlevnění, což výzkumníkům dává spoustu příležitostí k integraci 3D tisku s dalšími technologicky vyspělými procesy.

Aby průmysl mohl v budoucnu využívat stávající technologie 3D tisku, musí se průmysl a politika spojit a vydat další doporučení k posílení politiky. Kromě toho je také nutné se na problematiku dívat jinak, aby budoucí technologie podávaly lepší výsledek.