3D Spausdinimo Technologijos
3D spausdinimas – procesas, kurio metu nuosekliai klojant vieną ant kito plonyčius medžiagos sluoksnius trijų dimensijų skaitmeninis modelis paverčiamas fiziniu objektu. Tokiu būdu klojant medžiagos sluoksnius, skaitmeninis objektas (automatinio projektavimo sistemos (CAD) sukurtas vaizdas) įgyja fizinį pavidalą.
3D spausdinimas pristato dvi esmines naujoves: galimybę koreguoti objektus jiems esant skaitmeninio modelio pavidale ir galimybę gaminti naujas formas naudojant įvairias medžiagas.
3D spausdinimas – neribotas galimybes atveriantis gamybos metodas, skatinantis inovacijas ir suteikiantis neįtikėtiną dizaino laisvę kurti įvairius objektus. Šiam gamybos metodui nereikia gamybinių įrankių, o tai leidžia sumažinti gamybos sąnaudas ir sutaupyti laiką. Be papildomų išlaidų net ir įmantrios geometrijos bei ypatingų parametrų objektų detalės gali būti suprojektuojamos tokiu būdu, kad gaminio nereikėtų papildomai surinkti. 3D spausdinimas – energiją taupantis ir aplinką tausojantis gamybos būdas, kurio metu sunaudojama iki 90 proc. mažiau gamybinių medžiagų, gaminiai yra tvarūs, galimi lankstesni ir tvaresni dizaino sprendimai.
Kiekvieno 3D spausdinimo proceso pradžia – skaitmeninis 3D modelis, kurį galima sukurti pasitelkiant įvairią programinę įrangą (pramonėje paplitusios 3D automatizuoto projektavimo sistemos (CAD)) arba nuskaitant 3D skaitytuvu. Tada skaitmeninis modelis „padalijamas“ į sluoksnius („sliced“) ir gaminio dizainas konvertuojamas į skaitmeninį formatą perskaitomą 3D spausdintuvu. 3D spausdintuvo apdorota spausdinimo medžiaga atsižvelgiant į dizainą bei gamybos procesą yra klojama atitinkamais sluoksniais. Yra įvairių 3D spausdinimo technologijų, kurias taikant naudojamos skirtingos medžiagos ir būdai leidžiantys sukurti galutinį objektą. Plastikas, metalas, keramika ir smėlis – medžiagos šiuo metu plačiai naudojamos prototipų gamybai ar spausdinant produktus įvairiausiuose gamybos srityse.
3D spausdinimo technologijų rūšys – kam jos taikomos ir kokie svarbiausi jų skirtumai?
Yra ne viena adityvios gamybos technologija taikoma 3D spausdintuvuose, kiekviena iš jų yra naudojama tam tikrais tikslais ir yra skirtingai įsitvirtinusi rinkoje. Skiriasi ir pačių spausdintuvų techninės specifikacijos, jų galimybės, konstrukcija, valdymo principai, eksploatacijos sudėtingumas ir laikas, per kurį atliekamas 3D spausdinimo procesas.
Paruošėme trumpą plačiausiai paplitusių 3D spausdinimo technologijų vadovą:
Ekstruzija / FDM (Fused Deposition Modelling) / FFF (Fused Filament Fabrication)
Tai plačiausiai paplitusi ir paprasčiausia 3D spausdinimo technologija; termoplastinė medžiaga įkaitinama iki lydymosi temperatūros ir išspaudžiama (purkštuko pagalba) ant darbastalio kur formuoja norimos formos objektus. Suformavus vieną sluoksnį, gamybos platforma paslenkama žemyn, ir pradedamas formuoti kitas sluoksnis – procesas kartojamas tol kol gaunamas galutinis objektas.
Šios technologijos privalumas – gausus medžiagų pasirinkimas (ABS, PLA, PC, PC-ABS, PPSF, lanksčios medžiagos turinčios medienos, anglies ar metalo priemaišų ir t. t.), galimybė pagaminti stambius objektus ir didelis atsparumas aplinkos veiksniams. FFF technologija yra palyginti nebrangi: ir pati įranga, ir gamybai reikalingos medžiagos – šių technologijų įrenginių pasiūla yra didžiausia rinkoje – visų pirma todėl, kad jie plačiausiai paplitę biuro įrangos ir švietimo srityse.
Šioje technologijoje naudojama medžiaga (filamentas) yra suvyniota ant ritės, kuri įstatoma spausdintuvo viduje. Spausdinimo metu, spausdinimo medžiaga tiektuvo pagalba iš ritės perduodama į spausdinimo galvutę. Spausdinimo galvutėje medžiaga įkaista iki lydymosi temperatūros ir per purkštuką išlydyta medžiaga išteka ant spausdinimo platformos bei suformuoja vieną spausdinamo gaminio sluoksnį.
Selective Laser Sintering (SLS)
Ši 3D spausdinimo technologija, kuriai naudojamas kietinimo lazerio spinduliu būdas. Ant 3D spausdintuvo darbastalio užberiama polimero miltelių, į kuriuos nukreipiamas lazerio spindulys; jo veikiamas polimeras yra išlydomas tam tikrose pasirinktose vietose. Tada gamybos platforma paslenkama žemyn, ir suformuojamas kitas išlydytos medžiagos sluoksnis.
SLS technologija plačiai taikoma įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje dėl jos galimybių lengvai pagaminti net ir itin sudėtingos geometrijos produktus. Daugiausia ji naudojama prototipams gaminti ankstyvuoju dizaino kūrimo etapu, tarkim, liejimo formų, automobilių įrangos ar aerodinaminių tunelių modelių gamyboje. SLS technologija vis plačiau taikoma ir aeronautikos, karinės, medicinos ir elektronikos pramonėje specifinės įrangos dalims gaminti. Įmonės gamybos skyriuje, pasitelkus SLS spausdinimo technologiją galima greitai pasigaminti įvairius įrankius, stendus ir fiksatorius.
Stereolithography (SL or SLA)
Ši lazeriu pagrįsta technologija, kuriai naudojama foto polimerų derva. Reaguodami su lazerio spinduliu, skysti polimerai sukietėja ir įgyja preciziškai tikslų dalių pavidalą. Tai sudėtingas procesas, bet, jei trumpai, skysti foto polimerai supilami į konteinerį kuriame yra paslanki gamybos platforma. Remiantis 3D duomenimis perduodamais į spausdintuvą, lazerio spindulys yra nukreipiamas į medžiagos paviršių pagal X ir Y koordinačių sistemą, ir derva sustingsta tiksliai ten, kur yra veikiama lazerio spindulio. Kai vienas sluoksnis yra suformuojamas, gamybos platforma pasislenka vienu žingsniu žemyn (Z ašyje), ir panyra į foto polimerų dervą kur lazerio pagalba yra suformuojamas sekantis sluoksnis. Gamybos platforma nardinama tol, kol sukuriamas visas objektas. Tada platforma iškeliama į viršų, kad būtų galima išimti galutinį gaminį.
Procesui pasibaigus, daugelį SLS technologija pagamintų objektų dar būtina valyti ir sukietinti. Vienas iš apdorojimo etapų – gaminio veikimas intensyvia šviesa orkaitę primenančiame įrenginyje, kur polimerų derva galutinai sustingsta ir sukietėja.
Stereolitografija laikoma vienu tiksliausių 3D spausdinimo būdų, kuriuo galima išgauti puikios kokybės objekto paviršių.
Digital light processing (DLP)
Šis 3D spausdinimo procesas, panašus į stereolitografiją, nes tai technologija kurioje naudojami skystieji foto polimerai. Pagrindinis skirtumas – šviesos šaltinis. DLP naudojamas įprastesnis šviesos šaltinis, toks kaip šviesos lankas su skystųjų kristalų ekranu (LCD) arba deformuotų veidrodžių prietaisu (DMD). Jis viena juosta nukreipiamas į visą foto polimerų dervos konteinerio paviršių ir paprastai veikia greičiau nei naudojant SL technologiją.
Kaip ir SL, taikant DLP metodą, išgaunamos itin tikslios dalys su puikia rezoliucija, tačiau ir šia technologija pagamintiems gaminiams reikia naudoti atramines struktūras bei papildomą apdorojimą.
Binder jetting (BJ)
Ši technologija, kurią taikant naudojama medžiaga – rišiklis. Ant medžiagai skirto pagrindo yra paskirstomas miltelių sluoksnis ir purkštukų pagalba ant jų išpurškiama rišiklio medžiaga reikalinga atspausdinti norimą objekto dalį. Kaip ir kitose milteliniam medžiagos pavidalui pritaikytose technologijose, kurioms būdingas sluoksniavimo procesas, vienam sluoksniui užsipildžius, gamybos platforma smukteli žemyn ir naujojo sluoksnio paviršius išlyginamas voleliu ar peiliuku, tada nupurškiamas rišikliu, kad susijungtų su kitu sluoksniu.
Kaip ir SLS, šios technologijos privalumas – nereikia taikyti atraminių struktūrų, nes palaikymo funkcija atliekama aplink spausdinamą detalę esančių miltelių pagalba. Gamybai galima naudoti įvairias medžiagas, pvz. metalus, keramiką ar maisto produktus.
Tiesa, šiuo būdu atspausdinti gaminiai nėra tokie tvirti kaip pagaminti naudojant lazerį, todėl reikalingas papildomas apdorojimas tam kad būtų užtikrintas gaminio patvarumas.
Material jetting (MJ)
Šis 3D spausdinimo procesas, kurio metu gamybai naudojama medžiaga (skysčio ar lydinio pavidalu) yra purškiama per daug purkštukų (tuo pat metu kiti purkštukai purškia atraminių struktūrų medžiagas). Dažniausiai naudojami skystieji foto polimerai, todėl kiekvieną jų sluoksnį tenka apdoroti UV šviesa.
Šis procesas leidžia vienu metu naudoti kelių rūšių medžiagas, todėl vienas gaminys gali būti pagamintas iš kelių skirtingų įvairiomis savybėmis pasižyminčių medžiagų. MJ technologija – labai tikslus 3D spausdinimo metodas, kurio privalumas – itin tikslios dalys ir glotnūs paviršiai.
Directed Energy Deposition (DED)
Ši 3D spausdinimo technologija, leidžianti gaminti detales tiesiogiai lydant medžiagas ir sluoksnis po sluoksnio jas užnešant ant gaminamos detalės paviršiaus. Taikant šią adityvios gamybos technologiją daugiausia naudojami metalo milteliai arba vielos pavidalo medžiagos. Be galimybės pagaminti visiškai naujas detales, pasitelkus DED technologiją galima pataisyti sudėtingas sugadintas dalis, pvz. turbinų sparnuotes ar propelerius.
Įprastine DED technologija pagrįstą spausdinimo įrengimą sudaro uždaro tipo rėmas, kuriame yra purkštukas pritvirtintas prie daugiaašio manipuliatoriaus rankos. Purkštukas išlydytą medžiagą paskirsto ant gaminamos detalės paviršiaus, kur ji sustingsta. Procesas yra panašus į kitą 3D spausdinimo technologiją – medžiagos ekstruziją, bet naudojant DED metodą purkštukas gali judėti įvairiomis kryptimis (net iki penkių skirtingų ašių).
Sąvoką DED sieja kelios skirtingos technologijos. Jos skiriasi pagal medžiagos lydymosi būdą, ir kiekviena jų turi skirtingas ir specifines paskirtis. Plačiausiai paplitę metodai yra šie:
- Lazeriu pagrįsta DED sistema (pvz. LENS) lazerį naudoja kaip pagrindinį energijos šaltinį;
- Elektronų spinduliu pagrįsta DED sistema (pvz. EBAM) naudoja elektronų spindulį išlydyti miltelių pavidalo medžiagą;
- Plazma arba Elektros lanku pagrįsta DED sistema (pvz. WAAM) elektros lanko pagalba lydo vielą.
Selective Laser Melting (SLM)
Ši technologija dar vadinama Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Ir vienu, ir kitu atveju naudojamas tas pats techninis principas išskirtinai pritaikytas metalinių detalių gamybai. Pasitelkus SLM technologiją proceso metu visiškai išsilydo medžiagos milteliai, todėl ir vienos sudėtinės dalies metalai, pvz., aliuminis, gali būti naudojami sukurti lengvas, tvirtas atsargines dalis bei prototipus. DMLS metodo pagalba sukietinami medžiagos milteliai, šis metodas naudojamas išskirtinai metalo lydiniams, tame tarpe ir titano lydiniams. Šie metodai reikalauja atraminių struktūrų, padedančių įveikti stiprų liekamąjį stresą ir sumažinti išsikraipymo tikimybę. Šios technologijos taikomos juvelyrikos ir odontologijos srityse, atsarginių dalių bei prototipų gamyboje.
Electron Beam Melting (EBM)
Ši 3D spausdinimo technologija, kurioje medžiaga išlydoma naudojant aukštos energijos elektronų spindulį. Naudojant šią technologiją liekamasis stresas būna mažesnis, todėl rečiau pasitaiko gaminio išsikraipymų. Veikiant judančiam elektronų spinduliui, metalo milteliai sluoksnis po sluoksnio pasirinktinai išlydomi norimose vietose ir taip sukietinamas kiekvienas komponento sudedamosios dalies skerspjūvio sluoksnis. Šiai technologijai reikia mažiau energijos ir ją naudojant greičiau nei SLS formuojami gaminio sluoksniai. Šis metodas daugiausia taikomas didelę vertę kuriančiose pramonės srityse, pvz., aeronautikos ir gynybos, motorizuotų sporto transporto priemonių bei medicininių protezų.