Mi az a 3D-nyomtatás? Hol lehet hozzáférni? Mik az előnyei?
A fenti kérdésekre ma már nagy valószínűséggel sokaknak van valamiféle válasza, nem árt azonban átfogó képet alkotni a technológiáról, hiszen, míg a termékgyártást a mai napig szubtraktív folyamatok dominálják, egyre több esetben kerül előtérbe a 3D-nyomtatás és a hibrid gyártás lehetősége.
Mi is az a 3D-nyomtatás?
A gyakran additív gyártásnak is hívott 3D-nyomtatás olyan gyártófolyamat, mellyel szilárd tárgyak, termékek állíthatók elő egy számítógép által létrehozott digitális fájlból. Ahogy a név is takarja, az eljárás során additív folyamatokat alkalmaznak a termék gyártásához. Ezek a folyamatok progresszív anyagrétegek egymásra építésével hozzák létre a kívánt alakzatot, ahol az egyes rétegek tulajdonképpen tekinthetők a termék egy-egy szűk keresztmetszetének.
A 3D nyomtatás jelentősen eltér az egyéb, jellemzően szubtraktív gyártóeljárásoktól, hiszen anyageltávolítás helyett anyag hozzáadásával jár együtt. Ennek köszönhetően bonyolult alakzatok is kevesebb anyag felhasználásával hozhatók létre.
A 3D nyomtatás rövid története
Az eljárás először az 1980-as évek végén mutatkozott be – repülőgép- és autóipari gyors prototípusgyártásban alkalmazták először. Charles Hull, aki később a 3D Systems létrehozásában is segédkezett, nyújtott be első ízben szabadalmat egy sztereolitográfiai (SLA) keretrendszerhez. Ez vezetett az első jelentős áttöréshez 1988-ban, amikor eladásra került az első, SLA technológiát alkalmazó nyomtató. A ’90-es évek közepére már számos 3D nyomtatással foglalkozó szervezet létezett, akik a mai napig is használt folyamatok és technológiák fejlesztésén dolgoztak. E korai szervezetek közül ma már csak három maradt fenn: a 3D Systems, az EOS és a Stratasys.
A következő mérföldkőre egészen 2009-ig kellett várni, amikor is a technológia kereskedelmileg is elérhetővé vált a többség számára – a RepRap nyílt forráskódú vállalkozás a szálhúzásos (FDM = Fused Deposition Modeling) technológia segítségével utat nyitott az elérhető asztali 3D nyomtatóknak.
Ezt követően számos különböző szervezet kezdett a felhasználói/asztali gépek fejlesztésével és gyártásával, hogy azok elnyerjék mai, elérhető árú, csúcstechnológiás formájukat.
Hogyan működik a 3D-nyomtatás?
Egy 3D-nyomtatott tárgy elkészítéséhez a már említett progresszív anyagrétegeket addig halmozzák egymásra, míg az el nem nyeri végső formáját. Legalábbis ez az általános megközelítés. De mik a mögöttes folyamatok?
A folyamat a nyomtatandó tárgy realisztikus modelljének elkészítésével kezdődik. Ezt általában egy CAD szoftver segítségével készítik és vitathatóan az egész 3D-nyomtatás legkényesebb része. Ilyen 3D modellező szoftverek például a TinkerCAD, a Fusion360 vagy a Sketchup.
A bonyolult tárgyak esetén a modelleket gyakran szimulációkkal tesztelik az esetleges deformációk felderítése érdekében. A kinyomtatott tárggyal kapcsolatban persze általában az is elvárás, hogy esztétikus legyen, de ez nem minden esetben meghatározó tényező.
Modelltől a nyomtatóig
A darabolás vagy szeletelés során a 3D modellt több száz vagy akár több ezer egyenlő “szeletre” osztják és egy forgácsoló programmal munkálják készre. A szeletelő szoftver a legtöbb esetben tartalmazza a nyomtatáshoz szükséges támasztékokat is, amikre azért van szükség, mert az alapanyagot értelemszerűen nem lehet a levegőbe lehelyezni, így kell egy támaszték, amire a nyomtató fel tudja hordani az alapanyagot. Ezek az elemnek a nyomtatás után általában eltávolításra kerülnek.
Bizonyos 3D nyomtatók beépített szeletelővel rendelkeznek, amely lehetővé teszi a nyers .stl, .obj vagy akár CAD dokumentumok közvetlen feldolgozását is.
Az alábbi videó gyors áttekintést kínál a 3D-nyomtatók felépítéséről és működéséről:
3D-nyomtató technológiák
Szálhúzásos nyomtatás (FDM)
FDM eljárás során a hőre lágyuló alapanyagot felmelegítik és egy fúvókán keresztül rétegekben felhordják a nyomtató állványra. Az egyes rétegek mindig hozzátapadnak az előzőhöz.
Sztereolitográfiás nyomtatás (SLA)
SLA nyomtatás során az építési területet fényre szilárduló, fotopolimer műgyantával töltik fel, majd egy lézer segítségével rétegről rétegre megkötik azt, amíg a kívánt tárgy elkészül.
Binder jetting
Ezzel az eljárással az egyes rétegeket finom por alapanyagból építik. A port egy festékkel kevert ragasztóanyaggal kötik meg.
Szelektív lézer szinterezés (SLS)
Az SLS nyomtatás szintén por alapanyagot használ az építésre, melyet a készülék először a kívánt rétegvastagságban elterít, amit egy lézersugárral rétegenként először megolvasztanak, aztán megszilárdítanak. Amint egy réteg elkészül, a nyomtatóállvány egy rétegnyivel lejjebb kerül, majd a gép felhordja a következőt. Ez addig ismétlődik, amíg a tárgy elkészül.
Mi a különbség a 3D-nyomtatás és az additív gyártás között?
A 3D-nyomtatás megegyezik az additív gyártással? Sokakat megtéveszt a két elnevezés.
A rövid válasz: nem. A “3D-nyomtatás” kifejezés a tintasugaras nyomtatófejek használatából ered, amiben az UV-érzékeny fotopolimer rétegeket vagy a porágyas eljárásokban használt por kötőanyagát tárolják. A terminus mindenesetre az összes additív gyártástechnológiát magában foglalja.
A helyes módszer az lenne, ha a 3D-nyomtatásra három dimenziós tárgyak digitális fájl felhasználásával és additív gyártófolyamatokkal történő építéseként hivatkoznánk.
Mi a különbség a 3D- és 4D-nyomtatás között?
Általánosságban a 4D-nyomtatás a 3D-nyomtatás egy részhalmazának tekinthető. A fő különbség tárgy nyomtatás utáni állapotában rejlik.
A 3D-nyomtatás esetében a tárgy megőrzi szilárdságát az építés folyamata után, míg a 4D-nyomtatott termékek külső erők hatására megváltoztatják eredeti formájukat.
Milyen alkalmazási területei vannak a 3D-nyomtatásnak?
A 3D-nyomtatás ma már rendkívül széles körben alkalmazható. Szinte bármilyen szilárd termék gyártható additív folyamatokkal. Néhány modern példa alkalmazási területekről:
- autóipar
- repülőipar
- orvostechnika
- építészet és építőipar
- fogyasztói cikkek
- ipari termékek
Vegyünk szemügyre néhány konkrétabb példát a fenti alkalmazásokból, hogy jobban megértsük, hogyan működik a technológia.
3D-nyomtatás az autóiparban
A járműgyártók már jó ideje alkalmazzák a technológiát különböző alkatrészek, szerelvények, készülékek készítéséhez. A 3D-nyomtatás lehetővé teszi a kérésre történő gyártást is, amely így csökkent a készletek mennyiségét, illetve rövidíti a fejlesztést és gyártást.
Emellett a nagy autórajongók sokszor 3D-nyomtatott alkatrészekkel újítják fel klasszikus, régi járműveiket.
3D-nyomtatás az építőiparban
Szintén gyakori alkalmazási terület az építőipar. A 3D-nyomtatás olcsóbb, gyorsabb megközelítést kínál az építkezésben. A sokszor hatalmasra épített nyomtatókat beton szerkezetek, alapzatok vagy falak létrehozásában alkalmazzák, de gyakori az olyan alkatrészek nyomtatása is, amiket később a telepen egymásba illesztve használnak fel. A világ számos híres épületében használtak valamilyen 3D-nyomtatási eljárást.
3D-nyomtatás az orvostechnikában
Az elmúlt években nagyon sok 3D-nyomtatási alkalmazás vált elérhetővé az orvostudomány területén. A leggyakoribb alkalmazások között szerepel a protézisgyártás és a bionyomtatás. A technológiában rejlő további lehetőségeket ráadásul ma is intenzíven kutatják, így a jövőben új alkalmazások megjelenése is várható.
A 3D-nyomtatott protézisek nagyszerűen kihasználják a technológia rugalmasságát. A hírhedten problémás és drága, a páciens egyedi igényeihez igazított protézisgyártásban hatalmas előrelépést jelent a 3D-nyomtatás. A drasztikusan olcsóbb előállítási költségeknek köszönhetően a gyerekeknek készített protézisek sokkal gyakrabban cserélhetők, a fejlődő országokban pedig egy eddig szinte elérhetetlen szolgáltatás hiányát pótolták.
A bionyomtatás, azaz a különböző sejtek és szövetek 3D-nyomtatása relatíve új területnek számít, jelentősége azonban koránt sem elhanyagolható. Ígérete, hogy egy nap képesek leszünk csontokat és szerveket nyomtatni a betegek számára, hogy ne a szervdonorokra kelljen várjanak.
3D-nyomtatás az oktatásban
A 3D-nyomtatást egyre több iskola kezdi beépíteni a tantervbe, ezzel is növelve az oktatás korszerűségét, minőségét és elősegítve a diákok innovációs képességeinek fejlesztését. A nyomtatókkal, CNC-gépekkel és egyéb gyártóberendezésekkel felszerelt workshopok mára számos oktatási intézményben általános jelenséggé váltak.
3D-nyomtatott műalkotások és ékszerek
Az egyik legújabb alkalmazási terület a képzőművészet és ékszerészet. A 3D-nyomtatók terjedésével az ékszerészek olyan geometriákkal és anyagokkal tudnak kísérletezni, amelyre korábban, a hagyományos technikákkal nem volt lehetőségük. Az egyedi ékszerkészítésben ráadásul olcsóbb alternatívát kínálnak.
Ipari 3D-nyomtatás
A 3D-nyomtatást eredetileg a prototípusgyártás gyorsabb alternatívájaként fejlesztették ki, így nem meglepő, hogy számos modern ipari alkalmazásban megtaláljuk. A technológia egyik nagy előnye annak alkalmazkodóképessége és sokoldalúsága, ami ideálissá teszi például kis méretű alkatrészek gyártásában.
Az egyéb módszerekkel, például fröccsöntéssel készített prototípusok meglehetősen drágák és egy-egy öntőforma elkészítése sok időt vesz igénybe. Egy 3D-nyomtatóval mindez sokkal gyorsabban és olcsóbban megvalósítható.
A 3D-nyomtatás előnyei
1. Gyorsabb gyártás
A technológia egyik legfőbb előnye a hagyományos eljárásokhoz képest, annak gyorsasága az ötletek és tervek tesztelésében. Míg hagyományos technológiákkal ez szélsőséges esetekben több hónapot is jelenthet, addig 3D-nyomtatással mindössze néhány órát igényel.
2. Minőségi tervek és termékek
A hagyományos gyártóstratégiák sokszor gyenge minőségű terveket és – ebből következően – modelleket eredményeznek. A 3D-nyomtatással lehetőség nyílik az alkatrészek lépésről lépésre történő javítására, amely hatékonyabb terveket és hosszútávon jobb minőségű termékeket biztosít.
3. Könnyű tesztelhetőség és integráció
A 3D-nyomtatás a modellek tesztelését is lehetővé teszi, amelynek köszönhetően a tervezési hibák is feltárhatók. Egy esetleges probléma esetén a CAD modell könnyedén megváltoztatható, amivel még időben kinyomtathatjuk a javított alkatrészt.
4. Könnyű testreszabhatóság
A hagyományos gyártófolyamatok ideálisak hasonló dolgok nagyszámú másolatának elkészítésére. Ugyanazokkal a megszokott tervekkel dolgozik, különösebb fejlesztések nélkül, így nem sok lehetősége kínál az egyediségre. A 3D-nyomtatás számtalan lehetőséget kínál a testreszabhatóságra, aminek csak a képzelőerő szab határt.
5. Különböző méretek és formák
A 3D-nyomtatás rendkívül rugalmas. A modellek geometriáját tekintve szinte korlátlan lehetőségekkel kecsegtet. A hagyományos összeszerelési eljárások sikere öntőformáktól és különböző szeletelési technikáktól függ, az összetett alakzatok tervezése és gyártása ezért költséges lehet. A 3D-nyomtatással ezek a problémák megszűnnek, nincs olyan feladat, ami a megfelelő anyaghasználattal ne lenne megoldható.
6. Különböző anyagok
A technológia rendkívül széles nyersanyagválasztékot biztosít, a fémektől, üvegtől és műanyagtól kezdve a papíron, kerámián át sok egyéb anyagig. A legtöbb hagyományos technológia rendkívül limitált e tekintetben.
A 3D-nyomtatás korlátai
Ugyan a 3D-nyomtatás számos alkalmazási területen megkérdőjelezhetetlen előnyökkel bír, bizonyos tekintetben természetesen hátrányai is vannak:
Drága: Bár néhány fentebb említett esetben olcsóbb alternatívát kínál, a 3D-nyomtatás magas hardveres és nyersanyag árai költségessé teszik a technológiába való beruházást. Megoldást jelenthet erre a szolgáltatás kiszervezése, így mentesülhetünk a beruházási költségektől.
Magas fogyasztás: A 3D-nyomtatók sok villamosenergiát fogyasztanak, ami sokakat el tud rettenteni a technológiától. Minden esetre a szolgáltatás kiszervezése ezt a problémát is tudja orvosolni.
Károsanyag-kibocsátás: Míg a 3D-nyomtatók első generációjára teljes mértékben igaz volt, hogy mérgező gázokat és vegyszereket bocsátanak ki, az új technológiai fejlesztéseknek hála ez mára azért sokat csökkent.
Remélhetőleg hasznosnak találta a fenti összefoglalót a 3D-nyomtatásról és hasznos betekintést nyert a technológia működésébe, előnyeibe, ennek fényében pedig könnyebben tud dönteni saját gyártófolyamataiba való integrálásáról is.
SzerzőRobin, Dongguan Roche Industrial
Forrás: https://www.rocheindustry.com/3d-printing-ultimate-guide/