A 3D nyomtatás, más néven additív gyártás, előre beállított eljárásokkal és digitális modellekkel, porszórással és egyéb módszerekkel rétegről rétegre nyomtatható, és végső soron nagy pontosságú háromdimenziós termékeket kaphatunk. A hagyományos lapos nyomtatáshoz képest a 3D nyomtatás háromdimenziós háromdimenziós modelleket biztosít; A hagyományos feldolgozáshoz képest a 3D nyomtatás nagyobb pontossággal és automatizáltsággal rendelkezik. Ez a fenti előnyökön alapul, így a 3D nyomtatási technológia rövid időn belül elősegíti a gyors használatot. Természetesen a technológia számos leküzdendő kihívással is szembesül, mint például az anyagok, berendezések, iparági szabványok. A 3D nyomtatási piac kilátásai szélesek, a 3D nyomtatási technológia megértésében és használatában, a 3D nyomtatási technológia alapján, és aktívan feltárják A 3D nyomtatási technológia innovációs és optimalizálási stratégiája szintén népszerű kutatási témává vált.
Az 1.3D nyomtatás alapelvei és műszaki jellemzői
A 3D nyomtatás, mint az ipari gyártás élvonalbeli technológiája, számos technológiát egyesít, beleértve a réteges gyártástechnológiát, a gépészetet, a CNC technológiát, a CAD-t, a lézertechnológiát, a reverse engineering technológiát, az anyagtudományt stb. , gyorsan, automatikusan és pontosan alakítja át az elektronikus modell tervezését fix funkciójú prototípussá, vagy közvetlenül gyárt alkatrészeket, így olcsó és hatékony módszert biztosít az alkatrészek prototípusainak gyártásához és az új tervezési ötletek verifikálásához. A 3D nyomtatási technológia alapelve a tomográfia inverz folyamata. A tomográfia számtalan egymásra helyezett szeletre "vágott", a 3D nyomtatás folyamatos fizikai réteg szuperpozíción keresztül történik, rétegről rétegre növelve az anyagot, hogy háromdimenziós szilárd technológiát hozzon létre, ezért a 3D nyomtatás gyártási technológiáját "additív gyártási technológiaként" is ismerik.
A hagyományos nyomtatási technológiához és gyártási folyamathoz képest a 3D nyomtatás jellemzői a következő szempontokra koncentrálódnak: egyrészt a nyomtatás egyszeri befejezése, többszöri vágás, csiszolás nélkül, a termékgyártási folyamat egyszerűsítése, a nyomtatási folyamat lerövidítése. termelési ciklus. A technikusoknak előzetesen meg kell szerezniük a termék háromdimenziós koordinátáit és szerkezeti jellemzőit, majd speciális szoftvert kell használniuk a számítógépen a háromdimenziós modellek előállításához, végül a számítógép által vezérelt 3D nyomtatókkal a termékek nyomtatásának és gyártásának befejezéséhez. , valóban felismerve, hogy "amit látsz, azt kapod". Másodszor, a költségek alacsonyabbak, különösen a tömeggyártásban, szemben a hagyományos feldolgozással és a gyártás jelentősebb költségelőnyökkel rendelkezik. A gyártási mód szempontjából a 3D nyomtatási technológiának csak a termék háromdimenziós koordinátáit kell megszerezni és a termék háromdimenziós modelljét megtervezni, a többi munkát a berendezés automatikusan elvégzi, csak egy fő végezhető el, alacsony a munka- és időköltség. Végül a termék pontossági foka magasabb, különösen a precíziós alkatrészek gyártása során a 3D nyomtatással kapott termékek pontossága elérheti a 0,01 mm-es szintet, és támogatja a 32-bit színt nyomtatás.
A 3D nyomtatás három alapvető eleme a berendezések, az anyagok és a technológia. Felszereltségüket tekintve elsősorban 3D nyomtatók, 3D szkennerek, 3D lézergravírozók, lézeres nyomkövetők stb.; anyagok tekintetében az általánosan használt anyagok közé tartozik a fényérzékeny gyanta, műanyagpor, csontpor, PLA stb.; technológiai szempontból számos kulcsfontosságú technológiát foglal magában, mint például a 3DP technológiát, az FDM olvasztott lerakó technológiát (FDM) és az SLA lézeres fénykezelési technológiát. Ezeknek a technológiáknak a működési módjai, alapelvei és alkalmazási előnyei meglehetősen eltérőek, az alábbiak szerint.
2. 3DP nyomtatási technológia
A háromdimenziós nyomtatás (3DP) technológia a 3D nyomtatás leggyakrabban használt módszere ebben a szakaszban. A használt berendezés egy szabványos tintasugaras nyomtató, amely különféle pornyomtatási anyagokhoz illeszthető, mint például kerámiapor, műanyagpor és csontpor. Előprogramozás és modellezés után számítógépes parancsok irányítása alatt porréteget rakunk le, majd a fúvókát mozgatjuk, hogy a fúvókán keresztül ragasztót szórjon ki a meghatározott területre, így a porított anyagok egymáshoz kötődnek. Az első nyomtatási réteg elkészülte után megkaphatja a termék prototípusát, majd ismételheti tovább a fenti lépéseket, sok-sok porlasztás, permetezés, ragasztás után, végül megkaphatja a kívánt terméket. Ha színes termékeket szeretne nyomtatni, kiválaszthatja a megfelelő színű kötőanyagot.
Az SLA fényérzékeny gyantából készül, egy folyékony anyagból, amely bizonyos hullámhosszú (x=325nm) és intenzitású (w=30mw) UV-fény besugárzása hatására gyorsan fotopolimerizációs reakción megy keresztül, a molekuláris Az anyag tömege drámaian megnő, és az anyag folyékonyból szilárd halmazállapotúvá alakul. A folyadéktartályt először meg kell tölteni folyékony fényérzékeny gyantával, hélium-kadmium lézerrel vagy argonion lézerrel, amelyet az UV lézersugár bocsát ki a számítógépben a munkadarab manipulációja során a folyadék fényérzékeny gyanta felületi szkennelésénél a keresztmetszeti adatok rétegződése szerint. sorról sorra és pontról pontra, ami a gyantaréteg pásztázási területét polimerizáció és kikeményedés előidézésére teszi a munkadarab vékony rétegének kialakításából. Miután egy réteg kikeményedett, az asztal egy rétegvastagsággal lejjebb kerül, és egy új folyékony gyantaréteget visznek fel a korábban kikeményedett gyanta felületére, amíg egy 3D szilárd modellt nem kapnak.
Az SLS folyamatban használt berendezések lézereket, letapogató tükröket és szintező görgőket tartalmaznak. A technikai folyamat a következő: először megfelelő vastagságú poranyag réteget fektessen a munkaasztalra, előnyben részesítve a fényérzékeny gyantát, paraffinport, műanyagport, általában ne használjon kerámiaport, fémport. Ezután állítsa be előre a programot, olvassa el a modellt, a számítógépes vezérlési utasításokban a lézer lézersugarat bocsát ki, és a pásztázó tükörön keresztül besugározza az asztalon lévő poranyagot. Mivel a lézer nagyon nagy energiájú, szinterezi a poranyagot, először kialakítja a termék külső kontúrját, majd folytatja a por lerakását, szintereli a port kívülről befelé, és a por többszöri lerakása után sokszor a szinterezés, a kívánt termék végső kialakítása. A fenti 3D nyomtatási módszerekkel összehasonlítva az SLS-alapú szelektív lézeres szinterezési technológia viszonylag egyszerű, a termék gyártási sebessége gyorsabb. Ennek a technológiának azonban vannak hiányosságai is, például a szelektív nyomdai anyagok, fémpor, kerámiapor a szinterezési folyamatban több energiát igényel, ami költségnövekedéshez vezet, így a fém, a kerámia, mint fő anyagtermék esetében nem megfelelő ezt a technológiát választani.
Ez a technológia némileg hasonlít a fent leírt SLA sztereó síkágyas nyomtatási technológiához, a fő különbség a DLP (Digital Light Processor) használata. A folyékony fotopolimer elkészítése után egy nagy pontosságú digitális fényprocesszort állítanak fel közvetlenül az anyag fölé, és a technikus beállítja a berendezést, a fénysugarat a (0.0) koordinátára mozgatja, majd befejezi a besugárzást a számítógépes utasítások vezérlése mellett, így a folyékony anyag fokozatosan kikeményedik. A fénykeményítés folyamata is rétegről rétegre keményedik, de a kikeményedési sebesség gyorsabb és a termék formázási pontossága is nagyobb. Ráadásul a felület simasága szempontjából előnye van más 3D nyomtatási technológiákkal szemben. Vannak azonban hiányosságok, például a folyékony fotopolimer nagy tisztasága, amelyek negatívan befolyásolhatják a végtermék teljesítményét, ha szennyeződésekkel keveredik.
A LOM-eljárás vékony anyagot, például papírt vagy műanyag fóliát használ. A lap felületét előzőleg melegen olvadó ragasztóval vonják be. A feldolgozás során a forró préshenger melegen préseli a lapot, hogy összeragassza az alatta lévő alakított munkadarabbal; a CO2 lézerrel az újonnan ragasztott rétegen kivágják a munkadarab keresztmetszeti kontúrját és a munkadarab külső keretét, valamint a keresztmetszet kontúr közötti redundáns területen a felső és alsó rácsokat. és a külső keret; a lézeres vágások befejezése után a kialakított munkadarabot a munkaasztal leengedi, hogy elválassza a szalaglemeztől (az anyagszalagtól); az anyagellátó mechanizmus elforgatja a felvevő tengelyt és az anyagellátó tengelyt az anyagszalag mozgatása érdekében, hogy a végtermék ne legyen negatív teljesítményű. Az adagoló mechanizmus elforgatja a felvevő tengelyt és az adagoló tengelyt, mozgatva az anyagszalagot, így az új réteg a feldolgozási területre kerül; a munkaasztal felemelkedik a feldolgozási síkra; a forró nyomóhenger forró nyomás, a munkadarab rétegeinek száma egy réteggel, a magasság pedig egy anyagvastagsággal nő; majd az új rétegen levágja a keresztmetszeti kontúrt. Ezt mindaddig ismételjük, amíg az alkatrész összes szakasza össze nem ragad és le nem vágjuk, ami egy tömör alkatrészt eredményez rétegesen.
A PCM a Tsinghua Egyetem által 2013-ban kifejlesztett új 3D nyomtatási technológia. A működési folyamat a következő: először az alkatrész CAD modelljét rajzolják meg a számítógépben, majd a modell paramétereit STL fájlok formájában elmentik. . A CAD modell az alkatrészmodellnek megfelelően öntvénymodellré alakul. Rétegek fentről lefelé, a szkennelő berendezések használata, rétegenkénti szkennelés, a háromdimenziós koordináták szkennelési modelljének befejezése után, majd alulról a homok tetejére indul, kötés. Az öntési folyamat során két fúvókát használtak, az egyiket a kötőanyag befecskendezésére, a másikat a katalizátor befecskendezésére. A két anyagot egyidejűleg permetezzük, és érintkezéskor kolloid reakció megy végbe, amely egy erős anyagréteget képez. Az első réteg elkészítése után a második és harmadik réteget egymás után hajtjuk végre, amíg a végterméket el nem kapjuk.
3. A 3D nyomtatási technológia alkalmazási területei és korlátai
Az első kereskedelmi forgalomba kerülő 3D nyomtató 1986-os megjelenése óta a 3D nyomtatási technológiát csak több mint 30 éve fejlesztették, de számos területen széles körben alkalmazták, például az építőiparban, az orvostudományban és a repülésben. Az építőiparban a 3D nyomtatási technológiát a BIM technológiával kombinálják, hogy számítógépben megépítsék az épület 3D-s modelljét, majd kinyomtassák azt. A 3D háromdimenziós épületmodelleken keresztül műszaki támogatást nyújtanak az épületek bemutatásához, építési referenciákhoz stb. Az orvosi iparban a 3D nyomtatási technológiát használják szimulált mesterséges csontok előállítására, ideális klinikai alkalmazással. Emellett az orvosok 3D nyomtatási technológiát is használhatnak kóros modellek készítésére, műtéti előképek készítésére szimulált helyzetekben, műtéti programokat tervezhetnek, és javíthatják a műtét sikerességét. A repülőgépiparban a 3D nyomtatás használatával nagy pontosságú, a tervezési szabványoknak és felhasználási követelményeknek megfelelő alkatrészeket lehet előállítani, mint például a motorturbina lapátok, integrált üzemanyagfúvókák stb., ami szintén pozitívan járul hozzá az űrhajók általános teljesítményének javításához. Emellett sorra népszerűsödött a 3D nyomtatási technológia érettségével és a felhasználási költségek csökkenésével a fröccsöntő szerszámok gyártása az ipari gyártásban, valamint a személyre szabott fogyasztási cikkek gyártása stb. .
A 3D nyomtatási technológia a folyamat népszerűsítésében és használatában nem csak az alkalmazás erős előnyeit emeli ki, hanem több korlátozással is szembesül. A technikai feltételek jelenlegi állapota szempontjából a 3D nyomtatás fejlesztését és népszerűsítését korlátozó tényezők közé elsősorban a következők tartoznak: Először is az anyag. A fenti elemzésből látható, hogy a jelenlegi 3D nyomtatási anyagok főként fényérzékeny gyanta, kerámia, paraffin és így tovább. Az alkalmazási terület bővülésével összefüggésben a korlátozott számú anyag nyilvánvalóan nem tud megfelelni egyes feltörekvő területeken a követelményeknek. Például lehetetlen fém- és ötvözetanyagokat használni 3D nyomtatáshoz, ami korlátozásokat támaszt az alkalmazással kapcsolatban. Ráadásul az anyagár viszonylag drága, a kötegnyomtatásnál a magas költség is korlátozó tényező. Másodszor, ami a berendezéseket illeti, a berendezések árát csökkenteni kell, ha a 3D nyomtatási technológiát teljes mértékben kereskedelmi forgalomba kívánjuk hozni. Ebben a szakaszban egy átlagos 3D nyomtató ára körülbelül 5,000 jüan, és ha a pontosságra magasabb követelmények vonatkoznak, a berendezés ára 10,000 és több tízezer között mozog. . Ez még mindig magas fogyasztás a hétköznapi felhasználók számára, ami gátolja a 3D nyomtatás teljes népszerűségét.
4.3D nyomtatási technológia fejlődési trendje
A 3D nyomtatási technológia széles fejlődési kilátásokkal rendelkezik, a bővülő piaci léptékkel összefüggésben a 3D nyomtatás szabványosítása és iparosított fejlesztése érdekében meg kell erősíteni a legfelsőbb szintű tervezést és az ipari szabványokat. Az illetékes minisztériumok, vagy az ipar hatósága által a lehető leghamarabb készítsenek el és vezessenek be egységes szabványrendszert, beleértve az anyaggyártási szabványokat, a berendezések kutatási és fejlesztési szabványait, a technológiaértékelési szabványokat. Tökéletes szabványos rendszerrel, a 3D nyomtatási technológia fejlesztésével erős garanciát nyújtanak. Például az elmúlt években számos kutatóegység végzett mélyreható kutatásokat nanoanyagok, polimer kompozitok és funkcionális gradiens anyagok terén. Az egységes szabvány bevezetése után a különféle anyagok paramétereit, szabványait szabályozzák, a 3D nyomtatási anyagok vásárlásakor pedig ellenőrizzük, hogy azok megfelelnek-e a szabványos előírásoknak, hogy véget vessünk az alacsony- minőségi, "házi" anyagokat és biztosítják a nyomtatott termékek teljesítményét és minőségét.
Jelenleg a 3D nyomtatási technológia alkalmazásakor nagyfokú specializációt igényel a terméktervezés és a paraméterfeldolgozás terén. Amellett, hogy növeli a személyzet terheit, a magas belépési küszöb problémáját is magával hozza. Ezért az AI technológia és a big data technológia fejlődésével a 3D nyomtatási technológia jövője az intelligencia és az egyszerűség irányába fejlődik, jobb élményt nyújtva a felhasználóknak. A konkrét fejlesztési út két szempontot foglal magában: az egyik a hardver, vagyis a 3D nyomtató berendezés. Amellett, hogy tovább csökkenti a berendezések árát, humánusabb funkciókat is kell biztosítania, mint például a vizualizációs funkciók, a teljes 3D nyomtatási folyamat megjelenítéséhez, a felhasználók bármikor módosíthatják a nyomtatási paramétereket a valós idejű képernyőnek megfelelően, ami elősegíti a kívánt nyomdai termékek beszerzését; a második a szoftver, amely tervezőszoftvert, nyomtatásvezérlő szoftvert és egyéb funkcionális szoftvert biztosít többféle nyomtatási igény támogatására.
A 3D nyomtatási technológia alkalmazásának és fejlesztésének kulcsa a nyomtatóberendezések és a nyomtatási anyagok. K + F alkalmas 3D nyomtatási igényeinek többféle anyag, hanem lesz a következő lépés a fejlesztés a technológia innováció fontos. A gyakrabban használt fényérzékeny gyanta anyagok mellett várhatóan polimerpor anyagok, így paraffinpor anyagok, bevonó homokpor anyagok, fémpor anyagok, valamint olvasztott huzalanyagok, fa-műanyag kompozit anyagok stb. népszerűsítik a 3D nyomtatásban. A hordozóanyagok gazdagabb választéka mellett az anyag teljesítménye, szilárdsága és különleges környezeti alkalmazkodóképessége is nagymértékben javul, így a 3D nyomtatási termékek különféle területeken és környezetben használhatók, nyilvánvaló alkalmazási előnyükkel.
5. Összegzés
Az elmúlt években a 3D nyomtatási technológia számos területen jelentős alkalmazási előnyöket mutatott, és számos 3D nyomtatási technológián alapuló precíziós alkatrész és termék is pozitív hatással volt az ipar fejlődésére és innovációjára. Megjegyzendő, hogy a 3D nyomtatási technológia alkalmazási körének bővülésével bizonyos szűk keresztmetszetek is szembesülnek, különösen az anyagok és berendezések tekintetében. A jövőben figyelmet kell fordítani a támogató technológiák kutatására és fejlesztésére, több alternatív nyomdaanyag biztosítására, valamint a nyomdai berendezések költségeinek csökkentésére, a nyomtatási műveletek humánus és intelligens színvonalának emelésére, hogy technikai támogatást nyújtsunk társadalmi és gazdasági fejlődés.
