Conceptul de imprimare 3D a fost expus de David E.H. Jones în 1974. Cu toate acestea, metodele și materialele pentru fabricarea modelelor nu au fost dezvoltate până la începutul anilor 1980.
Termenul “imprimare 3D” acoperă numeroase procese și tehnici care oferă un spectru larg de capacități pentru producția de piese și produse din diferite materiale. În ultimii ani, aceste procese s-au dezvoltat în mod semnificativ și pot îndeplini acum roluri cruciale în numeroase aplicații.
Acest articol de prezentare generală își propune să explice diferitele tipuri și procese de imprimare 3D, cum funcționează acestea și care sunt utilizările și beneficiile lor pe piața actuală. Să începem cu o întrebare foarte simplă.
Ce este imprimarea 3D?
imprimarea 3D, cunoscută și sub numele de fabricație aditivă, este un proces de realizare a unui obiect fizic pornind de la un model digital tridimensional sau de la un model CAD. Acesta implică diverse tehnici controlate de calculator în care materialul este îmbinat sau solidificat pentru a construi un obiect real.
În mod obișnuit, materialul (cum ar fi granulele de pulbere sau moleculele de lichid care sunt topite împreună) este adăugat strat cu strat la scară milimetrică. Acesta este motivul pentru care imprimarea 3D se mai numește și proces de fabricație aditivă.
Imaginea ilustrează modul în care o imprimantă 3D imprimă obiecte tridimensionale strat cu strat | 3D Logics
În anii 1990, tehnicile de imprimare 3D erau denumite prototipuri rapide. Acestea erau potrivite doar pentru fabricarea de prototipuri estetice sau funcționale. De atunci, am parcurs un drum lung.
Tehnologia de imprimare 3D de astăzi este suficient de avansată pentru a crea structuri și geometrii complexe, care altfel ar fi imposibil de construit manual.
Precizia, gama de materiale și repetabilitatea imprimării 3D au crescut până în punctul în care putem construi aproape orice – de la prototipuri simple la produse finale complexe, cum ar fi construcții ecologice, piese de avion, instrumente medicale și chiar organe artificiale care utilizează straturi de celule umane.
Citește: Oamenii de știință au imprimat 3D o cornee umană artificială folosind “bio-ink
Cum funcționează mai exact?
Toate tehnicile de imprimare 3D se bazează pe același principiu: o imprimantă 3D ia un model digital (ca intrare) și îl transformă într-un obiect fizic tridimensional prin adăugarea de material strat cu strat.
Este mult diferit de procesele de fabricație tradiționale, cum ar fi turnarea prin injecție și prelucrarea CNC, care utilizează diverse instrumente de tăiere pentru a construi structura dorită dintr-un bloc solid. cu toate acestea, imprimarea 3D nu necesită instrumente de tăiere: obiectele sunt fabricate direct pe platforma construită.
Procesul începe cu un model digital 3D (o schiță a obiectului). Software-ul (specific imprimantei) taie modelul 3D în straturi subțiri, bidimensionale. Apoi le convertește într-un set de instrucțiuni în limbaj de mașină pe care imprimanta trebuie să le execute.
În funcție de tipul de imprimantă și de dimensiunea obiectului, o imprimare durează câteva ore. Obiectul imprimat necesită adesea o prelucrare ulterioară (precum șlefuire, lăcuire, vopsire sau alte tipuri de finisaje convenționale) pentru a obține un finisaj optim al suprafeței, ceea ce necesită timp suplimentar și efort manual.
Diferite tipuri de imprimante 3D utilizează o tehnologie diferită care procesează diferite materiale în moduri diferite. Poate că cea mai fundamentală limitare a imprimării 3D, în ceea ce privește materialele și aplicațiile, este faptul că nu există o soluție universală.
Tipuri/procese de imprimare 3D
În conformitate cu standardul ISO/ASTM 52900, toate procesele de imprimare 3D pot fi clasificate în șapte grupe. Fiecăreia dintre ele îi sunt asociate argumente pro și contra, care implică, de obicei, aspecte precum costul, viteza, proprietățile materialelor și limitările geometrice.
1. Fotopolimerizarea în cuvă
Ilustrație a SLA: un laser(a) iluminează selectiv fundul transparent(c) al unui rezervor umplut(b) cu o rășină fotopolimerizantă lichidă. Platforma de ridicare(e) trage progresiv în sus rășina solidificată(d).
O imprimantă 3D bazată pe fotopolimerizarea în cuvă are un rezervor umplut cu rășină fotopolimerică, care este întărită cu o sursă de lumină ultravioletă pentru a crea un obiect. Cele mai comune trei forme de polimerizare în cuvă sunt următoarele
1a) Stereolitografia (SLA): Inventată în 1984, SLA utilizează un laser cu ultraviolete pentru a reticula monomerii și oligomerii chimici pentru a forma polimeri care alcătuiesc corpul unui solid tridimensional. Deși procesul este rapid și poate construi aproape orice structură, acesta poate fi costisitor.
1b) Procesarea digitală a luminii (DLP): utilizează surse de lumină convenționale, cum ar fi lămpile cu arc (în loc de lasere). Fiecare strat al obiectului este proiectat pe cuva de rășină lichidă, care este apoi solidificată strat cu strat pe măsură ce platforma de ridicare se deplasează în sus sau în jos.
1c) Producerea continuă a interfeței lichide (CLIP): Este similară cu stereolitografia, dar continuă și de până la 100 de ori mai rapidă. CLIP poate produce obiecte cauciucate și flexibile cu fețe netede, care nu ar putea fi create cu alte tehnici.
2. Extrudare de materiale
Ilustrație de extrudare a materialelor: Duza(1) depune materialul(2) pe o platformă de construcție(3).
În acest proces, un filament de material termoplastic solid este împins printr-o duză încălzită, care topește materialul și îl depune pe o platformă de construcție de-a lungul unei traiectorii prestabilite. Acest material se răcește și se solidifică în cele din urmă, formând un obiect tridimensional. Cele mai frecvent utilizate tehnici în acest proces sunt
2a) Modelarea prin depunere topită (FDM): Utilizează un filament continuu dintr-un material termoplastic, cum ar fi nailon, poliuretan termoplastic sau acid polilactic.
2b) Robocasting: Implică extrudarea unui material sub formă de pastă dintr-o duză mică, în timp ce duza este deplasată pe o platformă de construcție. Procesul este diferit de FDM, deoarece nu se bazează pe uscarea sau solidificarea materialului pentru a-și păstra forma după extrudare.
3. Laminarea foilor
Unele imprimante folosesc hârtie și plastic ca material de construcție pentru a reduce costul imprimării. În această tehnică, mai multe straturi de plastic adeziv, hârtie sau laminate metalice sunt îmbinate succesiv și tăiate în funcție de formă cu ajutorul unui cutter laser sau al unui cuțit.
Rezoluția stratului poate fi definită de materialul de alimentare. În mod obișnuit, aceasta variază între una și câteva foi de hârtie de copiator. Procesul poate fi utilizat pentru a realiza piese de mari dimensiuni, dar precizia dimensională a produsului final va fi destul de scăzută față de cea a stereolitografiei.
4. Depunerea de energie dirijată
Tehnica de depunere cu energie dirijată este utilizată în mod obișnuit în industria metalurgică de înaltă tehnologie și în aplicațiile de fabricație rapidă. Aparatul de imprimare conține o duză care este fixată pe un braț robotic cu mai multe axe. Duza depune o putere metalică pe platforma de construcție, care este apoi topită de un laser, o plasmă sau un fascicul de electroni, pentru a forma un obiect solid.
Acest tip de imprimare 3D suportă diverse metale, materiale cu grad funcțional și materiale compozite, inclusiv aluminiu, oțel inoxidabil și titan. Nu numai că poate construi piese metalice complet noi, dar poate, de asemenea, să atașeze materiale (materiale) la piesele existente, permițând aplicații de fabricație hibride.
5. Jet de material
Piese imprimate cu ajutorul procesului de jet de material
Jetul de material funcționează într-un mod similar cu imprimantele de hârtie cu jet de cerneală. În acest proces, un material fotosensibil este aplicat sub formă de picături printr-o duză cu diametru mic și apoi este întărit de lumina ultravioletă, construind o piesă strat cu strat.
Materialele utilizate în această tehnică sunt fotopolimeri termorezistenți (acrilici). De asemenea, sunt disponibile imprimarea multimaterială și o gamă largă de materiale (inclusiv materiale asemănătoare cauciucului și materiale transparente).
Deoarece imprimarea 3D cu jet de material poate construi piese cu o precizie dimensională ridicată și cu un finisaj de suprafață neted, este o opțiune atractivă pentru fabricarea atât a prototipurilor vizuale, cât și a instrumentelor comerciale.
6. Jet de liant
O imprimare color imprimată în gresie cu Binder Jetting | Credit imagine: 3D Hubs
Binder Jetting utilizează două materiale: un material de bază sub formă de pulbere și un liant lichid. Pulberea este distribuită în straturi uniforme în camera de construcție, iar liantul este aplicat prin duze de jet, care “lipesc” particulele de pulbere pentru a construi obiectul dorit.
Ceara sau polimerul termorezistent este adesea amestecat cu pulberea lipită pentru a-i crește rezistența. După ce imprimarea 3D este finalizată, pulberea rămasă este colectată și utilizată pentru imprimarea unei alte structuri.
Deoarece tehnica este foarte asemănătoare cu un proces asemănător cu un jet de cerneală, este denumită și imprimare 3D prin injectare. Este utilizată în principal pentru imprimarea pieselor din elastomer, a supraînălțărilor și a prototipurilor colorate.
7. Fuziune în pat de pulbere
Un sistem SLS | DTM – 2500CI
Fuziunea în pat de pulbere este un subset al producției aditive prin care o sursă de căldură (cum ar fi capul de imprimare termică sau laserul) este utilizată pentru a consolida materialul sub formă de pulbere pentru a construi obiecte fizice. Cele mai comune cinci forme ale acestei tehnologii sunt
7a) Sinterizarea selectivă cu laser (SLS): Utilizează un laser ca sursă de energie pentru a sinteriza un material sub formă de pulbere, cum ar fi poliamida sau nailon. Aici, termenul sinterizare se referă la procesul de compactare și formare a unei mase solide de material prin aplicarea de presiune sau căldură fără a-l topi până la lichefiere.
7b) Topirea selectivă cu laser (SLM): Spre deosebire de SLS, această tehnică este concepută pentru a topi complet și a fuziona pulberi metalice împreună. Ea poate crea materiale complet dense (strat cu strat) care au caracteristici mecanice similare cu cele ale metalelor fabricate în mod tradițional. Acesta este unul dintre procesele în curs de dezvoltare rapidă care este implementat atât în industrie, cât și în cercetare.
7c) Topirea cu fascicule de electroni (EBM): În cadrul acestui proces, materia primă (sârmă sau pulbere metalică) este plasată în interiorul unui vid și topită împreună cu ajutorul unui fascicul de electroni. Deși EBM poate fi utilizat numai cu materiale conductoare, are o viteză de construcție superioară datorită densității energetice mai mari.
7d) Sinterizarea selectivă prin căldură (SHS): Utilizează un cap de imprimare termică pentru a aplica căldură pe straturi de termoplastic sub formă de pulbere. De îndată ce stratul este terminat, patul de pulbere se deplasează în jos și se adaugă un nou strat de material, care este apoi sinterizat pentru a forma următoarea secțiune transversală a modelului. Această tehnică este cea mai bună pentru fabricarea de prototipuri și piese ieftine pentru testele funcționale.
7e) Sinterizarea directă cu laser metalic (DMLS): Este similară cu SLS, dar utilizează în schimb energie metalică. Puterea rămasă devine o structură de suport pentru obiect și poate fi reutilizată pentru următoarea imprimare 3D. Piesele DMLS sunt realizate în principal cu materiale sub formă de pulbere, cum ar fi titanul, oțelul inoxidabil, aluminiul și mai multe aliaje de nișă. Este un proces ideal pentru piese medicale personalizate, componente pentru petrol și gaze și prototipuri funcționale rezistente.
Aplicație
În ultimul deceniu, imprimarea 3D s-a dezvoltat semnificativ. Deoarece poate fi utilizată pentru a fabrica rapid modele complexe la costuri mai mici, a devenit un instrument esențial într-o varietate de industrii, de la producția comercială și medicină până la arhitectură și design personalizat.
Multe tehnici de fabricație aditivă pot fi utilizate pentru fabricarea produselor alimentare. Imprimantele 3D moderne vin cu rețete preîncărcate la bord și, de asemenea, permit utilizatorilor să creeze de la distanță alimentele pe computerele și smartphone-urile lor. Alimentele imprimate 3D pot fi personalizate în ceea ce privește textura, culoarea, forma, aroma și nutriția.
Tehnologia s-a dovedit a fi eficientă și în cazul formulărilor farmaceutice. Prima formulă fabricată prin imprimare 3D a fost produsă în 2015. În același an, FDA a aprobat prima tabletă imprimată 3D.
Imprimanta 3D Zero-G trimisă pe ISS în 2014
În 2014, SpaceX a livrat prima imprimantă 3D cu gravitație zero la Stația Spațială Internațională. Aceasta este acum folosită de astronauți pentru a imprima unelte utile, cum ar fi cheia de soclu.
De fapt, multe proiecte de asamblare planificate pe planete sau asteroizi vor fi demarate cumva folosind materialele disponibile în regiunile din apropiere. imprimarea 3D este unul dintre pașii majori în acest demers.
În prezent, companiile de tehnologie integrează producția aditivă cu cloud computing pentru a permite o producție distribuită descentralizată și independentă din punct de vedere geografic. Unele companii oferă servicii de imprimare 3D online (prin intermediul unui site web) atât clienților privați, cât și celor comerciali.
Citiți: 40 cele mai bune site-uri web pentru a descărca gratuit fișiere STL pentru imprimare 3D
Viitorul imprimării 3D
Marele vis al imprimării 3D este “o fabrică în casa fiecăruia” Poate suna ciudat, dar nu se poate nega faptul că a deține o mașină care poate produce instantaneu lucruri personalizabile la infinit este fascinant.
La fel cum computerele și smartphone-urile au împuternicit miliarde de oameni, imprimantele 3D ar putea face același lucru pentru producție.
Potrivit GrandViewResearch, piața globală a tipăriturilor 3D a fost evaluată la 11,58 miliarde de dolari în 2019 și se preconizează că va ajunge la peste 33 de miliarde de dolari până în 2027 (cu o rată de creștere de 14% pe an).
Factorii care se preconizează că vor impulsiona creșterea pieței includ cercetarea și dezvoltarea agresivă și cererea tot mai mare de aplicații de prototipare din partea diferitelor verticale industriale, în special din industria auto, aerospațială, de apărare și de sănătate.
