Wszystko, co musisz wiedzieć o druku 3D!

Jeśli mówimy o różnych segmentach rynku, druk 3D jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych technologii. Jednak, gdy zaczynamy zgłębiać jego konceptualne znaczenie i historię, wciąż pozostaje wiele do poznania.

Ten artykuł rozpocznie dogłębną dyskusję na temat historii druku 3D, jego głównych rynków, procesów i stosowanych materiałów.

Bez dalszej zwłoki rozpocznijmy dyskusję!

Przegląd historii druku 3D

Historia druku 3D sięga lat 1980. w Japonii, kiedy Hideo Kodama szukał sposobu na stworzenie przyspieszonego i szybszego systemu prototypowania. Była to jedna z pierwszych prób znalezienia podejścia warstwa po warstwie, które można by zastosować również w produkcji. W wyniku swoich eksperymentów Hideo opracował zróżnicowane podejście do produkcji, obejmujące użycie żywicy światłoczułej. Ponadto został spolimeryzowany za pomocą światła ultrafioletowego. Chociaż jego wynalazek nie został jeszcze opatentowany, przypisuje się mu to, że był pierwszym wynalazcą pierwszych systemów produkcyjnych do druku 3D.

Główny rozwój druku 3D nastąpił w latach 1990-2010, kiedy tysiące firm i startupów zaczęło eksperymentować z różnymi technologiami wytwarzania przyrostowego. Dlatego ta dekada to początek znaczących postępów w technologii druku 3D, zwłaszcza w produkcji.

Główne metody druku 3D

Technologia druku 3D obejmuje szereg różnych procesów produkcyjnych, w których wymagane materiały są budowane warstwa po warstwie. W dowolnej formie istniejące procesy druku 3D dają projektantowi szeroki wachlarz możliwości, ułatwiając mu wybór najbardziej idealnego i odpowiedniego procesu. Oto niektóre z wiodących procesów drukowania 3D:

Stereolitografia (SLA)

Nazywana również oryginalnym przemysłowym procesem drukowania 3D, stereolitografia jest idealna do produkcji części o dużej szczegółowości i gładkiej powierzchni. Uzyskana jakość części stereolitograficznych wygląda dobrze i może pomóc w przetestowaniu funkcji i dopasowania zespołu. Ten proces drukowania jest wykorzystywany m.in. w medycynie i modelach anatomicznych.

Fuzja wielostrumieniowa

Proces ten jest bardzo podobny do poprzednich metod, ponieważ pomaga tworzyć funkcjonalne części z proszku nylonowego. W fuzji wielostrumieniowej drukarki atramentowe są używane do nakładania środka utrwalającego na warstwę proszku nylonowego. Po zbudowaniu tej warstwy, element grzejny jest przepuszczany przez poszczególne warstwy, aby je ze sobą połączyć. W porównaniu z innymi procesami proces ten jest również łatwiejszy w obróbce mechanicznej i zapewnia lepszą jakość powierzchni. Dlatego ta metoda jest idealna, ponieważ łączy zalety tradycyjnych metod z przyspieszeniem czasu budowy, co skutkuje lepszą jakością produkcji.

PoliJet

Jest to popularny proces drukowania 3D, który umożliwia tworzenie części o różnych właściwościach, w tym materiałów i kolorów. Stosując tę ​​metodę, projektanci mogą udoskonalić technologię produkcji części i prototypów formowanych wtryskowo. Jednak konstrukcja jest jednolita i sztywna. Dlatego zwykle najlepiej jest trzymać się konwencjonalnych procedur. Gdy proces obejmuje również prototypowanie istniejącej struktury, proces ten eliminuje potrzebę inwestowania we wczesne cykle rozwoju i szybszego projektowania w celu zaoszczędzenia niezbędnych zasobów.

Selektywne spiekanie laserowe (SLS)

Selektywne spiekanie laserowe to proces drukowania 3D, który topi proszek na bazie nylonu i zamienia go w solidny plastik. Ponieważ ten proces tworzy części z prawdziwego materiału termoplastycznego, uzyskany materiał jest również trwały i idealny do testów funkcjonalnych. W porównaniu z innymi metodami części wytwarzane w tym procesie są solidne, ale mają bardziej chropowatą powierzchnię. Proces ten eliminuje również potrzebę konstrukcji wsporczej, dzięki czemu idealnie nadaje się do większych ilości, co nie jest typowe dla innych procesów drukowania 3D.

topienie wiązki elektronów

Topienie wiązką elektronów to kolejny ważny proces drukowania 3D. Jest bardzo popularny, ponieważ wykorzystuje wiązkę elektronów regulowaną i kontrolowaną przez cewkę elektromagnetyczną, która pomaga stopić proszek metalowy. Zwiększa to temperaturę warstwy farby i stabilizuje warunki próżni podczas narastania. Temperatura określa również materiał użyty do stopienia części. Innym powodem, dla którego topienie wiązką elektronów jest tak rozpowszechnione, jest to, że pomaga zintegrować technologię drukowania 3D, dzięki czemu zasoby wykorzystywane w procesie nie są marnowane.

Cyfrowe przetwarzanie światła (DLP)

Proces ten jest bardzo podobny do selektywnego spiekania laserowego, ponieważ pomaga poprawić jakość ciekłej żywicy za pomocą światła. Główna różnica między tymi dwiema metodami polega na tym, że cyfrowe przetwarzanie światła wykorzystuje cyfrowe ekrany do projekcji światła. Natomiast druga metoda wykorzystuje laser UV. Oznacza to, że technologia cyfrowego przetwarzania światła wykorzystuje drukarki 3D, które mogą jednocześnie tworzyć całą warstwę obrazów, zwiększając ogólną szybkość tworzenia. Chociaż technika ta jest często wykorzystywana do przyspieszenia procesu prototypowania, jest również przydatna do produkcji jednostkowej na małą skalę, w tym części z tworzyw sztucznych.

Modelowanie metodą osadzania topionego (FDM)

Jest to jeden z najczęstszych procesów drukowania 3D na komputerach stacjonarnych, stosowany specjalnie do części z tworzyw sztucznych. Modelowanie osadzania topionego jest również niedrogim i porównywalnym procesem dyfuzji, gdy konieczne jest wykonanie modeli fizycznych. Każda drukarka 3D używana do modelowania osadzania topionego pomaga w wytłaczaniu filamentów z tworzywa sztucznego poprzez fragmentację poszczególnych warstw i budowanie całej platformy. Ta metoda jest również idealna do testów funkcjonalnych, ale technologia jest zwykle ograniczona, ponieważ części mają względną powierzchnię odniesienia i niewystarczającą wytrzymałość.

Bezpośrednie spiekanie laserowe metali

Jest to proces drukowania 3D z metalu, który rozszerza istniejące i możliwe możliwości projektowania części metalowych. Proces ten jest najczęściej stosowany do zmniejszenia objętości metalu używanego w obróbce i łączenia funkcji wieloczęściowych w jeden komponent. Ponadto doskonale nadaje się również do produkcji lekkich komponentów z wewnętrznymi kanałami o specjalnie zaprojektowanych funkcjach. Proces ten jest również idealny do prototypowania i produkcji, ponieważ wykorzystuje części, które są wystarczająco gęste, aby przetrwać tradycyjne procesy wytwarzania metalu, takie jak odlewanie i obróbka skrawaniem. Dlatego produkcja elementów metalowych metodą bezpośredniego spiekania laserowego metali jest również idealna do zastosowań, w których kluczowym wymogiem jest projektowanie części o strukturze organicznej.

Główne materiały do ​​druku 3D

Różnorodność głównych materiałów do druku 3D jest tak szeroka, jak metody, które przedstawiliśmy w ostatniej sekcji. Oto główne materiały do ​​druku używane w standardowych procesach drukowania 3D

plastikowy

Tworzywa sztuczne to jeden z najczęściej używanych materiałów do druku 3D, ponieważ jest to różnorodny materiał dla branż takich jak zabawki czy gospodarstwo domowe. Produkty wykonane z tworzywa sztucznego w technologii druku 3D pozwalają na konstruowanie produktów o przejrzystym kształcie i jasnych kolorach, które są najbardziej poczytne i szczególnie cenione za błyszczącą fakturę. Jest to również stosunkowo niedroga opcja, ponieważ jest lekka i przyjazna dla kieszeni zarówno dla programistów, jak i konsumentów. Ponadto wyroby z tworzyw sztucznych wykonane drukarkami 3D mają różne kształty i konsystencje, co przyczynia się do dalszego zróżnicowania pola zastosowań.

Klasyfikując rodzaje tworzyw sztucznych stosowanych w druku 3D, rozróżnia się:

Akrylonitryl-butadien-styren (ABS)

Jest to jedna z najsolidniejszych i najbezpieczniejszych opcji, szczególnie do użytku domowego lub innego użytku osobistego, w tym do drukarki 3D. Jest również znany jako plastik LEGO, ponieważ jego materiał bazowy składa się ze struktur przypominających makaron, które zapewniają elastyczność i wytrzymałość. Ze względu na tę szczególną właściwość, ten rodzaj plastiku jest również idealny do produktów takich jak zabawki i naklejki.

Poliwęglan (PC)

Chociaż poliwęglan jest mniej popularny niż inne tworzywa sztuczne, oferuje projektantom unikalne konstrukcje dysz, które są możliwe tylko w wysokich temperaturach. Oprócz wielu innych kategorii produktów, poliwęglan nadaje się również do produkcji tanich tworzyw sztucznych i formowanych skorup, co czyni go idealnym zwłaszcza dla tych branż.

Plastik z polialkoholu winylowego (PVA)

Plastik z polialkoholu winylowego jest powszechnie stosowany w tanich drukarkach domowych, ponieważ jest zwykle odpowiednim podłożem dla materiałów o wystarczającej trwałości i obserwowalności. Plastik z polialkoholu winylowego nie nadaje się jednak do produktów wymagających dużej wytrzymałości, ale jest opłacalną opcją, jeśli chodzi o wytwarzanie przedmiotów przeznaczonych tylko do tymczasowego użytku.

Polilaktyd (PLA)

To jedna z najbardziej przyjaznych dla środowiska opcji materiału nadającego się do druku 3D. Kwas ten pochodzi z naturalnych źródeł, takich jak skrobia kukurydziana i trzcina cukrowa, i jest często dostępny zarówno w postaci twardej, jak i miękkiej. Ponadto jest wykonany z solidnych materiałów i dlatego nadaje się do szerokiej gamy produktów. Dlatego jest często uważany przez techników i projektantów za jedną z najbardziej wszechstronnych i przyjaznych dla środowiska opcji procesów drukowania 3D, w tym z wykorzystaniem plastiku.

Pulver

Nawet przy nowoczesnych procesach druku 3D często stosuje się różne rodzaje proszku do tworzenia szerokiej gamy produktów. Jednak biorąc pod uwagę sposób działania drukarek 3D, proszki są zwykle topione i rozkładane warstwami, aż do uzyskania pożądanej grubości, tekstury i wzoru. Proszek ten może występować w różnych formach, z różnych źródeł i materiałów. Jednak niektóre z najczęstszych obejmują:

Poliamid (PA)

Znany ze swojej wytrzymałości i elastyczności, ten rodzaj proszku pozwala na wysoki poziom szczegółowości w produkcji produktów drukowanych 3D. Jest również idealny do montażu części i łączenia różnych części w celu tworzenia drukowanych modeli 3D. Jest również pomocny w drukowaniu wszystkiego, od uchwytów i zatrzasków po kreatywne figurki i samochodziki.

alumid

Alumid to mieszanka szarego aluminium, proszku aluminiowego i poliamidu, co czyni go jednym z najbardziej stabilnych modeli drukowanych w 3D. Ma również ziarnistą i piaskową teksturę, dzięki czemu idealnie nadaje się do modeli przemysłowych i prototypów, które wymagają dużej wytrzymałości. Dodatkowo, w postaci proszku jest stosunkowo łatwiej transportować i formować w dowolny pożądany kształt, którego potrzebuje produkt. Dzięki temu ma wyższą wartość w porównaniu do innych form proszkowych powszechnie stosowanych w druku 3D.

Żywica syntetyczna

Żywice syntetyczne są jednym z najrzadziej używanych materiałów w druku 3D. W porównaniu z innymi materiałami, żywice są używane w ograniczonych zastosowaniach i zapewniają ograniczone bezpieczeństwo i wytrzymałość produktu końcowego. Wykonane są z płynnych polimerów, które mają dłuższą ekspozycję na światło UV i dlatego są zwykle dostępne w wersji czarnej, białej i przezroczystej. Jednak różne produkty i warianty mogą być również wykonane w kolorach pomarańczowym, czerwonym, niebieskim i zielonym. Żywice są zazwyczaj podzielone na trzy różne kategorie, w tym:

Żywice do malowania

Są to wydruki 3D o gładkiej powierzchni, znane ze swojej estetyki i wytrzymałości. Żywice te są również używane do tworzenia detali twarzy, takich jak: B. do przedstawiania wróżek, do których często trudno jest dotrzeć.

Przezroczysta żywica

Jest to najważniejsza kategoria żywic, ponieważ najlepiej nadaje się do produktów drukowanych w 3D. Charakteryzują się gładką powierzchnią i przezroczystym wyglądem, co czyni je idealnym wyborem do żywic syntetycznych. Jednak do produkcji figur szachowych, figurek i drobnych akcesoriów domowych, które zazwyczaj mają przezroczyste powierzchnie, najczęściej stosuje się przezroczyste i kolorowe warianty przezroczystych żywic.

Bardzo szczegółowe żywice

Są one zwykle używane w przypadku małych modeli, które muszą mieć skomplikowane i drobne szczegóły. Na przykład, bardzo szczegółowe żywice są najczęściej używane do produkcji 4-calowych palców, które zawierają złożone struktury garderoby i detale wydrukowane w tej kategorii żywic.

metale

Metale są również jednymi z najpopularniejszych materiałów do druku 3D. Są one najczęściej stosowane w bezpośrednim spiekaniu laserowym metali i innych odpowiednich procesach. Techniki wykorzystujące metale obejmują produkcję sprzętu lotniczego, który wymaga drukowania 3D metali ciężkich w celu przyspieszenia i uproszczenia projektowania części. Metale są również powszechnie stosowane w produkcji biżuterii. W takich przypadkach produkcja musi być szybka iw dużych ilościach. W związku z tym istnieje możliwość stworzenia bardziej szczegółowej pracy z wykorzystaniem technologii druku 3D.

Wykorzystanie metali w druku 3D jest najczęściej stosowane w przemyśle lotniczym do produkcji wtryskiwaczy paliwa do silników odrzutowych. Szacuje się, że do 2020 r. produkcja wzrośnie o 10%, co wskazuje na rosnące wykorzystanie metali w druku 3D w przemyśle lotniczym. W procesie drukowania metale pomagają osiągnąć określoną twardość, dzięki czemu drukarki mogą wykorzystywać te materiały bezpośrednio do produkcji metalowych części. Gdy produkt dotrze do ostatecznego przetworzenia, jest elektropolerowany i przekazywany do kolejnego segmentu rynku.

Włókno węglowe

Włókno węglowe to materiał kompozytowy stosowany w drukarkach 3D jako warstwa wierzchnia na tworzywach sztucznych. Głównym celem wykorzystania włókna węglowego w druku 3D jest wzmocnienie tworzywa sztucznego, ponieważ połączenie zapewnia szybszą i wygodniejszą alternatywę dla metalu.

papier

Papier jest używany w druku 3D, gdy projekty wymagają bardziej realistycznego prototypu niż ilustracje 2D. Takie integracje pozwalają drukowanym modelom 3D przekazać główną ideę projektu z większą dokładnością i szczegółowością. Dodatkowo sprawia, że ​​produkt końcowy jest atrakcyjny i atrakcyjny, a także daje lepsze wyczucie geniuszu technicznego, który został wykorzystany w procesach, aby osiągnąć pożądany rezultat.

grafit

Grafit, choć nie należy do najbardziej konwencjonalnych materiałów do druku 3D, powoli zyskuje na popularności ze względu na swoją przewodność i wytrzymałość. Materiał ten jest idealny do wytwarzania produktów wymagających znacznie większej elastyczności, takich jak: B. panele słoneczne i części budowlane.

Materiały na wysokie temperatury w druku 3D

W druku 3D, a zwłaszcza modelowaniu topionego osadzania, materiały wysokotemperaturowe odgrywają ważną rolę, ponieważ są najbardziej wymagającymi perspektywami. Materiały te zazwyczaj wymagają wyższych temperatur niż zwykłe materiały i mają wyjątkowe właściwości termochemiczne i mechaniczne. Niektóre z najbardziej znanych materiałów wysokotemperaturowych do druku 3D obejmują następujące materiały.

Keton polieteroketonu (PEEK)

Polieteroketonoketon to jedna z najpopularniejszych alternatyw dla zastosowań, które umożliwiają łatwą obróbkę materiałem amorficznym. Powszechnie znany jako PEEK, zapewnia dodatkową i ulepszoną warstwę adhezyjną, dzięki czemu jest bardzo preferowanym materiałem wysokotemperaturowym, który może również wykazywać wysoką wytrzymałość przy obciążeniach ściskających.

Znany jest również z wysokiej odporności na ciepło w porównaniu z innymi materiałami do druku 3D, ponieważ ma lepsze właściwości mechaniczne i chemiczne, które zapewniają mu większą odporność na ciepło. Z tego powodu polieteroketonoketon jest jednym z najpopularniejszych materiałów do druku 3D, który nadaje się do wysokich temperatur.

ULTEM (PEI)

ULTEM, lepiej znany jako polieteroimid, to materiał wysokotemperaturowy, który oferuje doskonałe właściwości w wyjątkowo niskiej cenie, co czyni go jednym z preferowanych materiałów wysokotemperaturowych do drukowania 3D. Jedną z największych zalet używania go jako materiału wysokotemperaturowego do druku 3D jest możliwość sterylizacji ze względu na doskonałą odporność chemiczną i termiczną. Dlatego jest idealnym wyborem do wielu zastosowań, które wymagają dużej wytrzymałości, wytrzymałości i sztywności.

Polifluorek winylidenu (PVDF)

Polichlorek winylu, zwany także PVDF, znany jest z wysokiej wytrzymałości mechanicznej i odporności na temperatury do 150 stopni Celsjusza. Jest to również wysoce obojętny materiał termoplastyczny blisko spokrewniony z teflonem, co czyni go jedną z preferowanych opcji.

Główne rynki druku 3D

Technologia druku 3D istnieje od kilkudziesięciu lat i zyskała popularność w różnych segmentach rynku i branżach. Konsekwentne aplikacje do drukowania 3D ewoluują, ale zyskały popularność na niektórych kluczowych rynkach.

Oto niektóre z najczęstszych przypadków użycia w branżach korzystających z drukowania 3D:

Medycyna

Druk 3D jest szeroko stosowany w medycynie, szczególnie w biodrukowaniu, gdzie technicy muszą wykorzystywać materiały takie jak komórki i czynniki wzrostu do badania struktur tkankowych. Zastosowania druku 3D w medycynie przyczyniają się również do powszechnego stosowania implantów metalowych w osteoporozie. Biodrukowanie pomaga również w drukowaniu sztucznych narządów w 3D, co może pomóc pacjentom z niewydolnością narządów, gdy szybszy wzrost jest niezbędnym wymogiem leczenia.

budownictwo

Przemysł budowlany to kolejny popularny przypadek zastosowania druku 3D. Druk 3D z betonu jest uważany za wcześniejszy i tańszy sposób wznoszenia budynków. Umożliwiło to projektantom tworzenie projektów na miejscu, specjalnie dostosowanych do betonowych fundamentów i budynków.

sztuka i biżuteria

Sektor sztuki i biżuterii to również popularne zastosowanie technologii druku 3D. Postępy w druku 3D umożliwiły i zainspirowały miliony artystów na całym świecie do korzystania z druku 3D z metalu do tworzenia własnych i unikalnych dzieł sztuki i biżuterii. Zwłaszcza w branży jubilerskiej drukarki 3D pomagają projektantom eksperymentować z projektowaniem, czego tradycyjne procesy tworzenia biżuterii nie są w stanie. Pomagają również twórcom w tworzeniu własnych, niepowtarzalnych i szytych na miarę biżuterii.

Produkcja i prototypowanie

Jak wiemy, druk 3D został po raz pierwszy opracowany w celu szybszego prototypowania. Jednak technologia druku 3D znacząco przyczyniła się do rozwoju segmentu rynku produkcyjnego i prototypowego. Łącząc technologie przetwarzania w chmurze, firmy oferują teraz konsumentom usługi wytwarzania przyrostowego bez ponoszenia kosztów zakupu drukarki 3D.

Perspektywy na przyszłość

Druk 3D jako technologia zmienił świat. Nie ogranicza się tylko do branży docelowej, ale wpływa również na codzienne życie milionów konsumentów na całym świecie. Ponadto uczynił segment dóbr konsumpcyjnych bardziej spersonalizowanym i dostępnym na żądanie, poszerzając źródła dla przyszłej produkcji.

Patrząc w przyszłość, eksperci przewidują, że drukarki 3D będą również w stanie budować materiały atom po atomie, przenosząc technologię lekkich konstrukcji na wyższy poziom. Technologia pomoże również w tworzeniu lekkich i wydajnych materiałów. Należy jednak wziąć pod uwagę istniejące wyzwania druku 3D i wytwarzania addytywnego w poszczególnych branżach. Istniejąca technologia jest coraz lepsza i tańsza, dając naukowcom wiele możliwości integracji druku 3D z innymi zaawansowanymi technologicznie procesami.

Aby umożliwić przemysłowi korzystanie w przyszłości z istniejących technologii druku 3D, przemysł i polityka muszą połączyć siły i przedstawić dalsze zalecenia w celu wzmocnienia polityki. Ponadto konieczne jest również inne spojrzenie na problem, aby przyszłe technologie dawały lepszy wynik.