3D spausdinimas: kas tai yra, kaip veikia ir panaudojimas
3D spausdinimas: sužinokite, kas tai yra, kaip veikia ir kur naudojamas — nuo namų projektų ir žaislų iki industrinių sprendimų. Praktiniai patarimai ir pavyzdžiai.
3D spausdinimas – tai trimačių (3D) kietųjų objektų kūrimo būdas, kai objektas gaminamas sluoksnis po sluoksnio pagal skaitmeninį modelį. Dažniausiai 3D spausdintuvuose naudojamas plastikas, nes jis yra prieinamas ir lengvai apdorojamas, tačiau spausdinama ir iš kitų medžiagų, pavyzdžiui, metalų ir keramikos. Specializuoti metaliniai ar keraminiai spausdintuvai daugeliui vartotojų kainuoja daugiau, tačiau pramonėje jie tampa vis plačiau naudojami.
Kaip tai veikia?
3D spausdinimo procesas paprastai susideda iš kelių pagrindinių žingsnių:
- Modelio kūrimas: sukuriamas trimačio objekto modelis kompiuterinėje programoje (CAD) arba atsisiunčiamas paruoštas 3D failas.
- Sluoksniavimas (slicing): modelis paverčiamas sluoksniais ir sugeneruojamas spausdintuvo valdymo failas (G-code), nurodantis spausdinimo kelią ir parametrus.
- Spausdinimas: spausdintuvas juda pagal G-code ir sluoksnis po sluoksnio klojamas medžiagos depas arba kiti komponentai – taip formuojamas galutinis objektas.
- Postprocesas: pašalinami laikini atraminiai elementai, poliruojama ar kitaip apdorojama paviršius, atliekama terminė ar cheminė apdorojimo procedūra, jei reikia.
Dažniausiai naudojamos technologijos ir medžiagos
- FDM / FFF (fused deposition modeling): tirpintas siūlas (PLA, ABS, PETG ir kt.) ekstrūduojamas per karštą antgalį sluoksnis po sluoksnio. Tai populiariausia namų ir prototipų technologija.
- SLA / DLP (stereolitografija, digital light processing): skysti fotopolimerai kietinami UV spinduliuotei – gaunami labai detalūs ir lygaus paviršiaus objektai.
- SLS / SLM (sinterizavimas / lydymas lazeriu): miltelių pavidalo medžiagos (poliamidai, metalai) sluoksnis po sluoksnio sąlyginai sujungiamas lazeriu – tinkama stiprioms detalių dalims.
- Medžiagos: PLA, ABS, PETG (plastikai), elastingi guminiai filmai, specialūs inžineriniai polimerai, fotorezinai (resins), metalų milteliai (aliuminis, titanas, plienas), keramika ir net biomedžiagos.
Panaudojimas
3D spausdinimas taikomas daugelyje sričių:
- Prototipavimas: greiti ir pigūs dizainų bandymai inžinerijoje ir produktų kūrime. Inžinieriai gali greitai išbandyti keletą variantų be ilgų gamybos laukimo terminų.
- Gamyba: mažos serijos gaminiai, sudėtingos geometrijos dalys, pritaikyti komponentai.
- Medicina: odontologija (protezuoti elementai), individualūs implantai, chirurginiai modeliai mokymuisi ir planavimui, bioprinting’o tyrimai.
- Aviacija ir automobilių pramonė: lengvos, sudėtingos formos dalys, įrankiai ir prototipai.
- Statyba: didelio masto 3D spausdinimas pastatams ir formoms.
- Švietimas ir hobis: mokyklos, universitetai ir namų entuziastai naudoja spausdintuvus mokymuisi ir kūrybai; žaislai, modeliai, figūrėlės.
- Menas ir mada: unikalių papuošalų, skulptūrų ir aksesuarų gamyba.
- Maisto pramonė: eksperimentiniai spausdintuvai gamina formuotas maisto detales (pvz., šokoladas, tešla).
Privalumai ir trūkumai
- Privalumai: greitas prototipavimas, galimybė kurti sudėtingas geometrines formas, individualizacija, mažesni pradines kaštai smulkiai gamybai.
- Trūkumai: spausdinimo greitis ir dydžio apribojimai, medžiagų mechaninės savybės gali skirtis nuo įprastinių liejamų ar frezuotų dalių, paviršiaus apdaila dažnai reikalauja papildomo darbo.
Sauga ir priežiūra
- Saugokitės garų ir ultrafine dalelių: kai kurios medžiagos išskiria kvapus ar mikromolekules – reikalingas geras vėdinimas arba filtrai.
- Dirbant su dervomis (resin) ar metalų milteliais naudokite tinkamas apsaugos priemones (pirštines, kaukes).
- Reguliariai valykite ir prižiūrėkite spausdintuvo dalis: ekstruderį, lovą, ventiliatorių ir pan., kad išvengtumėte gedimų ir pagerintumėte spausdinimo kokybę.
Tendencijos ir ateitis
Nuo 2000–ųjų pradžios 3D spausdintuvų prieinamumas gerokai išaugo, o kainos sumažėjo, todėl ši technologija tapo labiau prieinama tiek pramonei, tiek hobiui. Ateityje tikimasi dar didesnio metalinių ir biomedžiagų panaudojimo, spartesnio spausdinimo, didesnio automatizavimo ir platesnės pramoninės integracijos. Bioprintingas, hibridinės gamybos technologijos ir didelio masto statybinis spausdinimas – tai sritys, kurias intensyviai tyrinėja mokslininkai ir inžinieriai.
3D spausdinimas leidžia kurti individualizuotus sprendimus ir sumažinti laiką nuo idėjos iki funkcinio gaminio, todėl jis ir toliau keičia dizaino, gamybos ir kūrybos procesus įvairiose srityse.
3D spausdintuvas
Istorija
1974 m. Davidas E. H. Jonesas žurnale "New Scientist" pirmą kartą parašė apie 3D spausdinimo idėją
1984 m. Alainas Le Méhauté ir kiti pateikė stereolitografijos (lazerinio 3D spausdintuvo) patentą.
1989 m. S. Scott Crump sukūrė FDM. Ši technologija šiandien naudojama daugumoje 3D spausdintuvų.
1992 m. Pirmąją FDM mašiną 1992 m. pardavė S. Scott Crump įmonė "Stratasys".
2005 m. "RepRap" tapo pirmuoju atvirojo kodo spausdintuvo projektu
2008 m. "Shapeways" tapo pirmąja paslauga, kuri 3D spausdintuvu atspausdino objektą ir nusiuntė jį klientams.
2017 m. Rusijoje pastatytas pirmasis 3D spausdintuvu atspausdintas namas, kuriame gali gyventi žmonės
Kaip jie veikia
Modeliavimas
Pirmasis žingsnis 3D spausdintuvu spausdinant daiktą - sukurti jį kompiuteryje. Žmonės tai daro naudodami CAD (kompiuterinio projektavimo) programinę įrangą arba 3D skenerį. Projektuodami modelius CAD programa, žmonės pradeda nuo pagrindinių formų ir nuo jų pradeda kurti. 3D skeneriai - tai įrenginiai, kurie atlieka daugybę objekto matavimų ir automatiškai sukuria modelį kompiuteryje. Jie gali būti labai greiti, tačiau taip pat yra brangesni.
CAD modeliai kompiuteriuose paprastai išsaugomi kaip STL failai. Jie išsaugomi kaip daugybė trikampių, todėl taupoma vieta kompiuteryje.
Spausdinimas
3D spausdintuvai veikia įvairiais būdais. Taip pat yra daugybė skirtingų medžiagų, kurias galima naudoti. Kiekvienas būdas ir medžiaga turi savų privalumų ir trūkumų.
Pagrindiniai dalykai, apie kuriuos reikia galvoti renkantis mašiną, paprastai yra greitis, kaina ir spalva. Tiesiogiai su metalais dirbantys spausdintuvai paprastai yra brangūs. Tačiau pigesni spausdintuvai gali būti naudojami formoms gaminti, iš kurių vėliau gaminamos metalinės dalys.
Įprasti sluoksniai yra maždaug 100 μm storio, t. y. maždaug dešimtadalio žmogaus plauko storio. Atspaudai gali užtrukti nuo mažiau nei valandos iki daugelio dienų, priklausomai nuo to, koks sudėtingas ir didelis jis yra.
Apdaila
Po to, kai mašina baigia spausdinti, kartais žmonės užbaigia modelį. Tai reiškia, kad reikia atlikti nedidelius pataisymus, kad modelis atrodytų geriau. Apdailos darbai apima medžiagos, kurią spausdintuvas įdėjo modeliui palaikyti, nuėmimą. Tai kartais gali užtrukti daug laiko. Yra būdų, kaip tai padaryti greičiau, tačiau dažnai lengviausia plastiką pašalinti rankomis.
Kompiuterinis objekto modelis prieš spausdinimą
Žiniasklaida 3D spausdintuvas spausdina propelerį. Vaizdo įrašas yra 4 kartus greitesnis nei realiame gyvenime.
Baigtas 3D patrankos spausdinimas
Naudoja
PASIDARYK PATS
Daug žmonių bando kurti pigius 3D spausdintuvus, kuriuos žmonės galėtų naudoti namuose. Bibliotekos taip pat pradėjo pirkti mažesnius 3D spausdintuvus, kad žmonės galėtų su jais susipažinti ir nepirkti. Daug darbo nuveikė "pasidaryk pats" bendruomenės, taip pat mokyklos ir hakerių bendruomenės. Iki 2017 m. vis daugiau žmonių pradėjo naudoti 3D spausdinimą savo namuose smulkiems daiktams, pavyzdžiui, krumpliaračiams ir nedidelėms dekoracijoms, gaminti.
Medicinos
3D spausdinimas naudojamas pigiai gaminti medicinos reikmenis. Žmonės mano, kad du didžiausi panaudojimo būdai bus klausos aparatų ir dirbtinių dantų gamyba.
2014 m. kovą Swansea chirurgai 3D spausdintuvu atspausdintomis dalimis atstatė per eismo įvykį sunkiai sužaloto motociklininko veidą.[]
Gamyba
2014 m. Švedijos bendrovė pagamino superautomobilį, kuriame panaudota daug 3D spausdintuvu atspausdintų komponentų. Urbee buvo pirmasis pasaulyje automobilis, kurio kėbulas ir langai atspausdinti 3D spausdintuvu.
2015 m. Karališkųjų oro pajėgų naikintuvas "Eurofighter Typhoon" skrido su 3D spausdintuvu atspausdintomis dalimis. Jungtinių Valstijų karinės oro pajėgos pradėjo dirbti su 3D spausdintuvais, o Izraelio karinės oro pajėgos taip pat įsigijo 3D spausdintuvą atsarginėms dalims spausdinti.
Maistas
Maistą galima spausdinti 3D spausdintuvu. Galima atspausdinti daug įvairių maisto produktų, pavyzdžiui, šokoladą ir saldainius, taip pat plokščius maisto produktus, pavyzdžiui, krekerius, makaronus ir picą. NASA spausdina maistą, kad susidarytų mažiau atliekų ir būtų gaminamas maistas, turintis visas astronautams reikalingas maistines medžiagas. 2018 m. Giuseppe Scionti atspausdino maistą, kuris buvo panašus į mėsą.
Ginklai
2012 m. bendrovė "Defense Distributed" internete įkėlė 3D spausdintuvu atspausdinto pistoleto failus, "kuriuos gali atsisiųsti ir atgaminti bet kas, turintis 3D spausdintuvą". Po to, kai "Defense Distributed" paviešino savo planus, žmonės susirūpino, kad dėl jų gali kilti problemų dėl ginklų kontrolės[] . Po metų, 2013 m. gegužę, JAV valstybės departamentas paprašė "Defense Distributed" pašalinti planus, ką jie ir padarė.
Švietimas
3D spausdinimas paskatino inovacijas ir problemų sprendimą klasėse. Dizaino studentai gali juo naudotis spausdindami prototipus tokiuose dalykuose kaip inžinerinis 3D spausdinimas; tai jau pademonstruota kai kuriose institucijose visame pasaulyje.
Istorinis
Pastaruosius kelerius metus 3D spausdinimas buvo naudojamas siekiant užtikrinti, kad svarbūs istoriniai daiktai būtų saugūs. Daugelis muziejų nusipirko 3D spausdintuvus ir gamina detales savo relikvijoms tvirtinti. Metropoliteno meno muziejus ir Britų muziejus pradėjo naudoti savo 3D spausdintuvus, kad pagamintų replikas, kurias parduotų suvenyrų parduotuvėje. Nacionalinis karo istorijos muziejus ir Varnos istorinis muziejus internete parduoda skaitmenines savo eksponatų versijas, kurias kiekvienas gali 3D spausdintuvu atsispausdinti namuose.
3D spausdintuvu atspausdintas stuburo diskas
3D spausdintuvu atspausdintas variklis
3D spausdintuvu atspausdintas cukraus kubelis
3D atspausdintas Egipto faraonas parduodamas "Threeding" svetainėje
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra 3D spausdinimas?
A: 3D spausdinimas - tai būdas kurti trimačius (3D) kietus objektus, objektą kuriant sluoksnis po sluoksnio.
K: Kokios medžiagos paprastai naudojamos 3D spausdinimui?
A: 3D spausdinimui paprastai naudojamas plastikas, nes jį lengviau naudoti ir jis yra pigesnis. Kai kuriais 3D spausdintuvais galima spausdinti ir kitomis medžiagomis, pavyzdžiui, metalais ir keramika, tačiau jie daugumai žmonių kainuoja per brangiai.
K: Kuo naudingi 3D spausdintuvai?
A: 3D spausdintuvai yra naudingi, nes jais galima labai greitai pagaminti naujus objektus, be to, jie gerai atlieka labai detalius darbus. Tai reiškia, kad inžinierius gali išbandyti daug naujų projektų ir jam nereikia laukti, kol juos pagamins kas nors kitas. Jie taip pat naudingi iš plastiko pagamintoms dalims taisyti, žaislams, figūrėlėms ir modeliams gaminti.
K: Kas naudoja 3D spausdintuvus?
A: Daug žmonių 3D objektus spausdina namuose. Nuo 2003 m. parduota daug daugiau medžiagų spausdintuvų nei anksčiau. Be to, sumažėjo 3D spausdintuvų kaina, todėl jie tapo prieinami didesniam skaičiui žmonių.
K.: Kiek laiko ši technologija egzistuoja?
A: Ši technologija egzistuoja nuo 2003 m., kai buvo parduota daug daugiau medžiagų spausdintuvų nei anksčiau.
K: Kiek kainuoja dauguma 3D spausdintuvų?
A: Dauguma 3d spausdintuvų dabar kainuoja mažiau nei 2003 m. dėl technologijų pažangos, kuri leido laikui bėgant gerokai sumažinti kainas.
Ieškoti